一种抗菌细菌纤维素及其制备方法与应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种抗菌细菌纤维素及其制备方法与应用，属于生物医用材料技术领 域。
【背景技术】
[0002] 细菌纤维素 （bacterial cellulose，简称BC)作为一种新型的"湿性"敷料，其具 有独特的物理、化学和机械性质，例如：超细网状结构、高抗张强度和弹性模量、高亲水性、 良好的透气吸水及透水性能、优异的持水性和高湿强度、良好的体内体外生物相容性，并且 使用后产生的医用废料经生物酶处理后可完全降解。大量研宄表明细菌纤维素水凝胶敷料 能够起到保温保湿的作用，同时能够有效促进伤口愈合；并且敷料可以任意裁剪，与皮肤有 极好的伏贴性，具有一定的镇痛效果；其超细网状结构、优异的机械性能和抗张强度使得辅 料有一定的可缝性，便于固定。但是，细菌纤维素本身不具备抗菌性能，而且在使用过程中 很容易受到空气或水中有害微生物的污染，从而引发一系列的感染问题，因此有效提高和 改善其抗菌能力尤为重要。采用细菌纤维素作为抗菌材料的基材具有以往其它生物材料、 织物等无可比拟的优点，有望成为一种较理想的医用敷料。国外采用单纯的细菌纤维素作 为敷料已有报道，并且已经产业化用于临床，如Xylos公司推出细菌纤维素创伤敷料和抗 菌创伤敷料也已在临床上得到了广泛的应用。而国内关于细菌纤维素的研宄仍处于起步阶 段，有关细菌纤维素敷料的研宄鲜有报道。综上所述，赋予细菌纤维素的较强抗菌性能对其 在生物医用材料领域的应用至关重要。
[0003] 为了使细菌纤维素具备抗菌的功能，现有技术多采用物理复合的方式，其是在细 菌纤维素的培养过程中加入抗菌材料，这种方式使细菌纤维素合成微生物的活性被部分抑 制，导致了细菌纤维素合成缓慢，产率大大降低。另一种方式是将细菌纤维素置于杀菌剂溶 液中通过浸泡吸附的方式得到抗菌细菌纤维素，但这种方式中杀菌剂的吸附效率及稳定性 都不高，并且在治疗中另外添加抗菌剂的方式也增加了操作的繁复性。CN101708341 B采用 细菌纤维素水凝胶与含银离子溶液共浸泡的方法制备了载纳米银抗菌细菌纤维素水凝胶， 虽然该材料具有良好的抗菌性能，但是纳米银主要是通过物理吸附的方式沉积在细菌纤维 素网络中，其使用过程中或多或少会存在纳米银的释放，而纳米银的体内生物安全性在学 术界一直存在着争议，目前SFDA对此类医用材料的批复较为谨慎。CN101905031 B同样也 是采用物理吸附抗菌剂磺酸嘧啶银的方法，其工艺稳定性难以保证，因而其抗菌性会受到 一定的影响。因此，无论是通过物理复合的方式还是浸泡吸附的方式均不能高效、简单得得 到抗菌细菌纤维素，并且难以保障所得抗菌细菌纤维素的稳定性、防止抗菌剂进入人体。
[0004] CN103724569 A公开了一种抗菌细菌纤维素及其制备方法，该制备方法主要包括： 先在细菌纤维素主链上通过酯化反应引入含双键的不饱和有机酸或酸酐，然后再通过酯化 反应引入的不饱和双键与不饱和季铵盐单体发生聚合反应从而得到抗菌细菌纤维素。尽管 通过上述方法可以得到了一种接枝的抗菌细菌纤维素，但该方法的比较繁琐，工艺相对复 杂，不利于工业生产。尤其是得到含有双键的酯化细菌纤维素的工艺，该步反应是在油溶反 应体系下进行，反应需要大量的有机溶剂，例如甲苯，不可避免的会产生有机溶剂的污染， 生物安全性低，且提高了整个工艺的生产成本；该方案中接枝抗菌细菌纤维素的总体收率 及接枝率受制于酯化反应，从该案图1中可以看出，尽管酯化前后红外图谱存在一定的差 另IJ，但差别不是很大，说明细菌纤维素上酯化效率不太高，因此后续的聚合反应接枝率较低 并且不可控。
[0005] 因此，如何通过简单、接枝成功率高并且接枝率可控、后处理简单的合成方法来制 备稳定性高、抗菌效果好、生物安全性高的抗菌细菌纤维素是本领域的迫切需求。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种抗菌细菌纤维素的制备方法，该方法在工艺的简便 性、接枝成功率、接枝率的可控性以及后处理的方便性至少一方面优于现有技术。
[0007] 本发明的另一目的在于提供一种抗菌细菌纤维素，该抗菌细菌纤维素在稳定性、 抗菌效果、生物安全性至少一方面优于现有技术。
[0008] 本发明的再一目的在于提供一种抗菌细菌纤维素的应用。
[0009] 为此，一方面本发明提供一种抗菌细菌纤维素的制备方法，所述方法包括如下步 骤：将1~10重量份的细菌纤维素以及0. 5~10重量份的四价铺盐加入100~500重量份 的酸性水溶液中，在惰性环境下，加入10~100重量份的不饱和季铵盐单体，在30~80°C 反应4~24h，加入阻聚剂终止反应，即得所述抗菌细菌纤维素。
[0010] 本发明抗菌细菌纤维素的制备方法中，优选地，所述四价铈盐为1~5重量份。
[0011] 本发明抗菌细菌纤维素的制备方法中，优选地，所述酸性水溶液为200~400重量 份。
[0012] 本发明抗菌细菌纤维素的制备方法中，优选地，所述不饱和季铵盐单体为30~80 重量份。
[0013] 本发明抗菌细菌纤维素的制备方法中，优选地，所述反应温度为40~75°C ;更优 选地，所述反应温度为50~75°C ;再优选地，所述反应温度为60~75°C。
[0014] 本发明以四价铈离子为引发剂，在细菌纤维素主链上直接接枝不饱和季铵盐类单 体，相较于CN103724569 A提供的先酯化后聚合的方法，本发明的方法十分简单，成本低，有 利于工业生产；并且无需使用有机溶剂，在酸性水相体系中即可完成接枝反应；本发明的 方法接枝率高，并且通过控制反应温度可直接控制接枝率。
[0015] 根据本发明的具体实施方案，在本发明所述的抗菌细菌纤维素的制备方法中，还 包括将得到的所述抗菌细菌纤维素在沸水中煮10~120min，优选30~90min。之后选择 性地进行纯化处理，例如洗涤、干燥或不干燥、灭菌。其中，干燥方法可采用现有技术中的常 规方法，例如自然干燥、离心干燥、真空干燥、机械压除干燥、冷冻干燥等方法中的一种或几 种，干燥的程度可依据所需抗菌细菌纤维素的状态而定，所需抗菌细菌纤维素的状态可根 据不同的伤口类型选择；例如，对于干性创伤，需采用湿性敷料，则可选择使用抗菌细菌纤 维素水凝胶，此时，无需干燥或可采用上述干燥方法脱除部分水分；而对于有大量渗出液的 伤口，则选择干态的抗菌性细菌纤维素，此时，可通过上述干燥方法进行基本完全脱水。灭 菌方法可采用现有技术中的常规方法，例如，可将得到的抗菌细菌纤维素包装后采用γ辐 射、压力蒸气或高能电子辐照等方法进行灭菌。
[0016] 根据本发明的具体实施方案，在本发明所述的抗菌细菌纤维素的制备方法中，其 中，所述的不饱和季铵盐单体为含有不饱和键的季铵盐。优选地，所述不饱和季铵盐单体包 括但不限于甲基丙烯酰氧乙基三甲基卤化铵、丙烯酰氧乙基三甲基卤化铵、丙烯酰氧基乙 基二甲基苄基卤化铵中的一种或几种，例如甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙 基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基二甲基苄基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基溴化铵、丙烯 酰氧乙基三甲基溴化铵、丙烯酰氧乙基二甲基苄基溴化铵等。优选地，所述不饱和季铵盐单 体加入反应体系后的最终浓度为〇· 1~2. Omol/L，更优选地，其最终浓度为0· 5~I. 5mol/ L0
[0017] 根据本发明的具体实施方案，在本发明所述的抗菌细菌纤维素的制备方法，其中， 所述的四价铈盐为铈的价态为四价的铈盐，包括但不限于硝酸铈铵。
[0018] 根据本发明的具体实施方案，在本发明所述的抗菌细菌纤维素的制备方法中，其 中，所述的酸性水溶液包括但不限于硝酸水溶液、硫酸水溶液、盐酸水溶液、高氯酸水溶液 中的一种或几种。优选地，所述酸性水溶液的浓度为1.0 X KT2~I. 〇mol/L，更优选地，其 浓度为 〇· 05 ~0· 5mol/L。
[0019] 根据本发明的具体实施方案，在本发明所述的抗菌细菌纤维素的制备方法中，其 中，所述的阻聚剂包括但不限于对苯二酚、2-叔丁基对苯二酚或2, 5-二叔丁基对苯二酚中 的一种或几种，其用量为所述细菌纤维素质量的50%~100%。优选地，可将所述的阻聚剂 配制成质量浓度为〇. 5%~5%的阻聚剂水溶液添加至反应体系中。
[0020] 本发明中所述的细菌纤维素为微生物合成的纤维素，通常所述的细菌纤维素的聚 合度为1000~5000,其可以购买（例如，于海南亿德食品有限公司）或按现有技术中记载 的方法制备得到，例如可按如下方法制备得到：
[0021] 将细菌纤维素生产菌株按培养基体积比1:100的比例接种到所述培养液中，然后 在28°C~32°C洁净条件下静态培养3~7天获得细菌纤维素膜。其中的培养液为：0. 1~ 0· 4g/ml 葡萄糖、0· 03 ~0· 06g/ml 蛋白胨、0· 02 ~0· 03g/ml 酵母粉、0· 01 ~0· 02g/ml 磷 酸氢二钠、〇. 005 ~0. 015g/ml 硫酸镁、0. 005 ~0.0 lg/ml 硫酸铵、0. 005 ~0. 015ml/ml 玉 米糖浆提取液。
[0022] 其中所述的细菌纤维素生产菌株包括但不限于木醋杆菌、产醋杆菌、醋化杆菌、巴 氏醋杆菌、葡萄糖杆菌、农杆菌、根瘤菌、八叠球菌、洋葱假单胞菌、椰毒假单胞菌或空肠弯 曲菌。
[0023] 根据本发明的具体实施方案，在本发明所述的抗菌细菌纤维素的制备方法中，其 中所述的细菌纤维素为纯化的细菌纤维素，纯化的细菌纤维素可以购买或按现有技术制备 得到，例如CN103724569A中的方法，或按如下方法制备得到：
[0024] 将培养后获得的细菌纤维素膜粗品用大量清水多次冲洗除去表面的培养基及细 菌残体；再用质量浓度为1%~3%的十二烷基硫酸钠（SDS)，60°C条件下搅拌浸泡12~ 24h，以除去细菌纤维素里面的残留的杂蛋白；用大量去离子水冲洗净后，用0. 1~1.0 mol/ L NaOH溶液，60°C条件下处理1~3h，已除去细菌纤维素中致热源；再用0. lmol/L的乙酸 溶液中和处理并用多次蒸馏水浸泡至中性，在-20~80°C冰箱中预冷冻4~24h，在冷冻干 燥机中进行冷冻干燥24~48h，得到干燥好的BC干膜，并室温干燥保存备用。
[0025] 另一方面，本发明提供一种抗菌细菌纤维素，其是以细菌纤维素为主链，通过接枝 不饱和季铵盐得到的，并且所述抗菌细菌纤维素的接枝率为5%~40%，优选地，接枝率为 9 %~30 %，更优选地，接枝率为15 %~30 %。所述的抗菌细菌纤维素可根据本发明所述的 方法制备得到的。由于本发明是采用接枝反应将季铵盐单元通过共价键接枝到细菌纤维素 链上，因此本发明所述的抗菌细菌纤维素稳定高，能有效防止抗菌剂进入人体。本发明通过 实验证实所述的抗菌细菌纤维素对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等具有良好的抗菌效果，并 且随着接枝率的提高，抗菌效果越好。由于本发明制备方法中未使用任何有机溶剂，因此， 本发明所得的抗菌细菌纤维素生物安全性高。
[0026] 再一方面，本发明提供所述的抗菌细菌纤维素在制备抗菌敷料中的应用，优选地， 所述的抗菌敷料为抗大肠杆菌和/或