一种多功能纳米纤维及其制备方法与应用与流程

1.本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种多功能纳米纤维及其制备方法与应用。


背景技术：

2.在户外运动中，由于灼伤，外科手术和机械伤害，皮肤会产生不同程度的伤口。当皮肤受损时，开放的伤口会成为微生物定植的有利位置。感染伤口的细菌主要来自于空气中以及伤口附近皮肤上的微生物（例如大肠杆菌和金黄色葡萄球菌）。正确的伤口治疗可以使其迅速愈合；反之，则可能引起化脓性感染，甚至引起全身感染，坏疽性气体等疾病。因此，开发一种在户外快速治疗伤口以预防细菌感染的简单方法具有非常重要的研究意义。
3.硫化铜（cus）作为过渡金属硫族化物中最重要的p型半导体之一，由于其优异的光学、结构以及其他物理和化学特性而受到研究人员的广泛关注。它是一种新型的光热材料。近年来，具有高选择性和低侵袭性优点的光热疗法（ptt）引起了研究人员的广泛关注。其机理是通过光热剂将近红外（nir）光的能量转化为热能，可以用来治疗癌症和细菌感染等疾病。与使用抗生素相比，这是一种绿色疗法。但是cus纳米粒子（cus nps）的不良生物相容性和模棱两可的毒性限制了它们在生物医学中的应用。而且，由于高聚集，材料表面上的光生电荷转移速率降低，这显著降低了材料的性能。克服这些缺点的有效选择是选择合适的载体来分散纳米材料，这可以增加表面积并抑制光生电荷的复合。
4.蛋壳膜通常被认为是生物废弃物，随意丢弃不仅造成资源浪费，而且会造成环境污染。通过对蛋壳膜的结构和生物活性成分的深入了解，我们发现它是一种多蛋白复合物。作为天然的胶原蛋白，氨基葡萄糖，软骨素和透明质酸的来源，它在组织工程方面具有巨大的潜力，尤其是在促进结缔组织修复的过程中。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对户外伤口处理手段的缺点，提供一种多功能纳米纤维及其制备方法与应用。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：本发明以蛋壳膜溶液作为软模板，采用一步法简单合了具有光热杀菌功能的cus纳米粒子，并采用手持式静电纺丝装置绿色制备了cus纳米纤维。本发明的复合cus纳米粒子制备方法简单，成本低，生物相容性好，具有较好的光热杀菌效果；而制备的电纺丝cus纳米纤维可原位纺于伤口，可有效促进伤口愈合，也可以用来作为美容面膜。
7.所述多功能纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：（1）蛋壳膜预处理：收集废弃的蛋壳，将蛋膜从蛋壳上剥离，用去离子水反复洗涤后，浸泡在盐酸溶液里5～24 h，然后清洗干净并烘干，最后将其粉碎，得到蛋壳膜；（2）蛋壳膜溶液的制备：配置20～100 ml浓度为0.5～2 mol/l的氢氧化钠溶液，然后加入0.5～2.5 g蛋壳膜，搅拌混合均匀，所得混合溶液在50～70℃进行加热，并持续搅拌
3～6 h，搅拌结束后，抽滤，得到淡黄色澄清液体，即蛋壳膜溶液；（3）cus纳米粒子的合成：准备10～60 ml 蛋壳膜溶液，往里面加入1～6 ml 三水合硝酸铜（cuno3·
3h2o），常温搅拌10～60 min；使用hno3将溶液的ph调节至6～10，然后边搅拌边缓慢加入1～6 ml硫代乙酰胺（ch3csnh2）并搅拌均匀；最后将所得溶液置于60～100 ℃油浴加热0.5～2 h，溶液变为深墨绿色，材料合成，最后将液体冷冻干燥为粉末，即得到cus纳米粒子；（4）cus纳米纤维的绿色制备：配置质量分数为10～30%的聚乙烯吡咯烷酮（pvp）溶液，加入制备好的cus纳米粒子，配置成cus质量分数为0.1～0.5%的静电纺丝溶液，然后采用静电纺丝仪器并调节参数进行电纺丝，得到cus纳米纤维。
8.上述步骤（1）所述的蛋壳膜包括鸡蛋壳膜、鸭蛋壳膜、鹌鹑蛋壳膜、鸵鸟蛋壳膜、火鸡蛋壳膜中的任一种，但所述蛋壳膜不仅限于以上种类，各类禽蛋壳膜均能作为原料。
9.上述步骤（3）所述的cuno3·
3h2o的浓度为0.1～0.5 m。
10.上述步骤（3）所述的hno3的浓度为30～100%。
11.上述步骤（3）所述的ch3csnh2的浓度为0.1～0.3 m。
12.上述步骤（4）的静电纺丝参数为：电压为10 kv，接收距离为5～20 cm。
13.上述步骤（3）所制备的cus纳米粒子应用于光热杀菌，步骤（4）所制备的cus纳米纤维用于修复皮肤伤口，能够有效促进伤口愈合，同时cus纳米纤维可应用于美容面膜中。
14.其中，cus纳米粒子应用于光热杀菌步骤如下：（1）将细菌在肉汤培养基中培养18～24 h，并将细菌浓度调节至1
×
105～1
×
10
9 cfu/ml；（2）将5～20 mg cus 纳米粒子加入到0.2～2 ml细菌溶液中并充分混合；（3）设置光照组和非光照组，光照组为将加cus 纳米粒子的菌液（试验组）和不加cus 纳米粒子的菌液（对照组）在1～3 w/cm2近红外激光下照射2～10分钟；（4）将步骤（3）的菌液分别导入培养皿与琼脂一起培养，37℃培养18～24 h，然后通过菌落计数法测试材料的抗菌性能。
15.上述细菌为大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、链球菌、变形杆菌中的任一种，但所述细菌种类不仅限于以上种类。
16.cus纳米纤维用于修复皮肤伤口的步骤如下：（1）准备足够量的小鼠，用4～10％的水合氯醛麻醉动物，然后用手术剪刀在每只小鼠的背部和肩膀两侧切成圆形区域（直径约5～10 mm）；（2）然后用50～100μl mrsa细菌悬液（1
×
107～1
×
108cfu/ml）感染小鼠组织， 24小时后，在感染的伤口上观察到脓液；（3）将小鼠分为4组：对照组，近红外激光（nir）照射组，cus质量分数为0.1～0.5%的静电纺丝溶液组（记为cus组），cus质量分数为0.1～0.5%的静电纺丝溶液 + nir组（记为cus + nir组）。对伤口进行不同的处理：对照组：对伤口不进行处理；nir组：对伤口进行近红外激光照射，光照条件为980 nm，1～3 w/cm2的 nir 5～20分钟；cus组：使用手持式静电纺丝仪器将静电纺丝溶液原位电纺于伤口上，不进行红外
激光照射；cus + nir组：使用手持式静电纺丝仪器将静电纺丝溶液原位电纺于伤口上，并进行激光照射，光照条件为980 nm，1～3 w/cm2的 nir 5～20分钟；（4）观察小鼠伤口的恢复情况并获取皮肤样本进行分析。
17.本发明采用一种简单的方法来溶解蛋壳膜，并将其用作软模板来合成具有良好生物相容性和近红外吸收特性的cus纳米粒子。该cus纳米粒子表现出优异的光热抗菌性能。此外，将cus纳米粒子与pvp混合，并使用手持式静电纺丝设备绿色合成了cus纳米纤维，它不仅再现了蛋壳膜的微观结构，而且还具有光热抗菌和促进伤口快速愈合的功能，可用来作为美容面膜或快速处理室外伤口以预防细菌感染。
18.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1.本发明所制备的纳米材料，所用原材料为废弃的蛋壳膜，成本低，原料来源广，可实现生物废弃物的回收再利用。
19.2.本发明所制备的纳米材料，采用一步法合成，制备方法简单，反应条件温和。
20.3. 本发明所制备的纳米材料，具有较强的近红外吸收，可应用于光热杀菌。
21.4. 本发明所制备的复合纳米纤维，可原位电纺于伤口上，避免了与伤口的直接接触，与粗糙型伤口的贴合度比绷带和敷料更好。
22.5.蛋壳膜除含有大量皮肤和毛发需要的营养成分，水解后用于化妆品，有使皮肤细腻、减少皱纹、淡斑等作用，因此cus纳米纤维适合用来作为美容面膜。
附图说明
23.图1为本发明cus纳米粒子uv
‑
vis图。
24.图2为本发明cus纳米粒子溶液在980 nm近红外光（nir）照射下，不同浓度材料和水的加热曲线随时间的变化。
25.图3为本发明cus纳米粒子在不同浓度下对大肠杆菌（a）和金黄色葡萄球菌（b）的抗菌效率的统计图。
26.图4为本发明cus复合纳米纤维和天然鸡蛋壳膜的sem 图像。图a为天然蛋壳膜，图b为cus复合纳米纤维。
具体实施方式
27.下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
28.实施例1一种cus纳米粒子、cus纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：（1）蛋壳膜预处理：收集废弃蛋壳，将蛋膜从蛋壳上剥离，用去离子水反复洗涤后，浸泡在盐酸溶液里10 h，然后清洗干净并烘干，最后将其粉碎，得到蛋壳膜；（2）蛋壳膜溶液的制备：配置40 ml浓度为1 mol/l的氢氧化钠溶液，然后加入1 g蛋壳膜，搅拌混合均匀，将混合溶液在50 ℃进行加热，并持续搅拌4 h，搅拌结束后，抽滤，得到淡黄色澄清液体，即蛋壳膜溶液；
（3）cus纳米粒子的合成：准备10 ml 蛋壳膜溶液，加入1 ml、0.25 m的三水合硝酸铜（cuno3·
3h2o），常温搅拌30 min；使用40%的hno3将溶液的ph调节至6，然后边搅拌边缓慢加入1 ml、0.12 m的硫代乙酰胺（ch3csnh2）并搅拌均匀；最后将所得溶液置于90 ℃油浴加热1 h，溶液变为深墨绿色，材料合成，最后将液体冷冻干燥为粉末，即得到cus纳米粒子；（4）cus纳米纤维的绿色制备：配置质量分数为10%的聚乙烯吡咯烷酮（pvp）溶液，加入制备好的cus纳米粒子，配置成cus质量分数为0.1%的静电纺丝溶液，然后采用静电纺丝仪器并调节参数进行电纺丝，得到cus纳米纤维。其中，电压为10 kv，接收距离为8 cm。
29.上述方法制备的cus纳米粒子应用于光热杀菌，制备的cus纳米纤维用于原位修复皮肤伤口，且可应用于美容面膜中。
30.cus纳米粒子应用于光热杀菌的方法，包括如下步骤：（1）将金黄色葡萄球菌（s. aureus）在肉汤培养基中培养18 h，并将细菌浓度调节至1
×
10
6 cfu/ml；（2）将5 mg cus 纳米粒子加入到0.5 ml细菌溶液中并充分混合；（3）设置光照组和非光照组，光照组为将加cus 纳米粒子的菌液（试验组）和不加cus 纳米粒子的菌液（对照组）在1.5 w/cm2近红外激光下照射5分钟；（4）将步骤（3）的菌液分别导入培养皿与琼脂一起培养，37℃培养18 h，然后通过菌落计数法测试材料的抗菌性能。
31.cus纳米纤维用于原位修复皮肤伤口的方法，包括如下步骤：（1）准备足够量的小鼠，用4％的水合氯醛麻醉动物，然后用手术剪刀在每只小鼠的背部和肩膀两侧切成圆形区域（直径约7 mm）；（2）然后用50μl mrsa细菌悬液（1
×
10
7 cfu/ml）感染小鼠组织。 24小时后，在感染的伤口上观察到脓液；（3）将小鼠分为6组：对照组，近红外激光（nir）照射组，0.1% cus组，0.1% cus + nir组，对伤口进行如下不同的处理:对照组：对伤口不进行处理；nir组：对伤口进行近红外激光照射，光照条件为980 nm，1.5 w/cm2的 nir 5分钟；cus组：使用手持式静电纺丝仪器将静电纺丝溶液原位电纺于伤口上，不进行红外激光照射；cus + nir组：使用手持式静电纺丝仪器将电纺丝溶液原位电纺于伤口上，并进行激光照射，光照条件为980 nm，1.5 w/cm2的 nir 5分钟；（4）观察伤口的恢复情况并获取皮肤样本进行分析。
32.实施例2一种cus纳米粒子、cus纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：（1）蛋壳膜预处理：收集废弃蛋壳，将蛋膜从蛋壳上剥离，用去离子水反复洗涤后，浸泡在盐酸溶液里12 h，然后清洗干净并烘干，最后将其粉碎，得到蛋壳膜；（2）蛋壳膜溶液的制备：配置80 ml浓度为1 mol/l的氢氧化钠溶液，然后加入2 g蛋壳膜，搅拌混合均匀，将混合溶液在60 ℃进行加热，并持续搅拌5 h，搅拌结束后，抽滤，得到淡黄色澄清液体，即蛋壳膜溶液；
（3）cus纳米粒子的合成：准备20 ml 蛋壳膜溶液，往里面加入2 ml、0.25 m的三水合硝酸铜（cuno3·
3h2o），常温搅拌30 min；使用50%的hno3将溶液的ph调节至6.8，然后边搅拌边缓慢加入2 ml、0.12 m的硫代乙酰胺（ch3csnh2）并搅拌均匀；最后将所得溶液置于80 ℃油浴加热1 h，溶液变为深墨绿色，材料合成，最后将液体冷冻干燥为粉末，即为cus纳米粒子；（4）cus纳米纤维的绿色制备：配置质量分数为10%的聚乙烯吡咯烷酮（pvp）溶液，加入制备好的cus纳米粒子，配置成cus质量分数为0.2%的静电纺丝溶液，然后采用静电纺丝仪器并调节参数进行电纺丝，得到cus纳米纤维。其中，电压为10 kv，接收距离为10 cm。
33.上述方法制备的cus纳米粒子应用于光热杀菌，制备的cus纳米纤维用于原位修复皮肤伤口，且可应用于美容面膜中。
34.cus纳米粒子应用于光热杀菌，步骤如下：（1）将大肠杆菌（e. coli）和金光色葡萄球菌（s. aureus）在肉汤培养基中培养18 h，并将细菌浓度调节至1
×
10
7 cfu/ml；（2）将10 mg cus 纳米粒子加入到1ml细菌溶液中并充分混合；（3）设置光照组和非光照组，光照组为将加cus 纳米粒子的菌液（试验组）和不加cus 纳米粒子的菌液（对照组）在2.5 w/cm2近红外激光下照射8分钟；（4）将步骤（3）的菌液分别导入培养皿与琼脂一起培养，37℃培养18 h，然后通过菌落计数法测试材料的抗菌性能。
35.cus纳米纤维用于原位修复皮肤伤口的方法，包括如下步骤：（1）准备足够量的小鼠，用8％的水合氯醛麻醉动物，然后用手术剪刀在每只小鼠的背部和肩膀两侧切成圆形区域（直径约7 mm）；（2）然后用50μl mrsa细菌悬液（1.75
×
10
7 cfu/ml）感染小鼠组织。 24小时后，在感染的伤口上观察到脓液；（3）将小鼠分为6组：对照组，近红外激光（nir）照射组，0.2% cus组，0.2% cus + nir组。对伤口进行如下不同处理：对照组：对伤口不进行处理；nir组：对伤口进行近红外激光照射，光照条件为980 nm，2.5 w/cm2的 nir 8分钟；cus组：使用手持式静电纺丝仪器将静电纺丝溶液原位电纺于伤口上，不进行红外激光照射；cus + nir组：使用手持式静电纺丝仪器将电纺丝溶液原位电纺于伤口上，并进行激光照射，光照条件为980 nm，2.5 w/cm
2 的nir 8分钟；（4）观察伤口的恢复情况并获取皮肤样本进行分析。
36.实施例3一种cus纳米粒子、cus纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：（1）蛋壳膜预处理：收集废弃的蛋壳，将蛋膜从蛋壳上剥离，用去离子水反复洗涤后，浸泡在盐酸溶液里20 h，然后清洗干净并烘干，最后将其粉碎，得到蛋壳膜；（2）蛋壳膜溶液的制备：配置100 ml浓度为1.5 mol/l的氢氧化钠溶液，然后加入2.5 g蛋壳膜，搅拌混合均匀，将混合溶液在60 ℃进行加热，并持续搅拌6 h，搅拌结束后，
抽滤，得到淡黄色澄清液体，即蛋壳膜溶液；（3）cus纳米粒子的合成：准备50 ml 蛋壳膜溶液，往里面加入5 ml、0.4 m的三水合硝酸铜（cuno3·
3h2o），常温搅拌20 min；使用50%的hno3将溶液的ph调节至7，然后边搅拌边缓慢加入5 ml，0.19 m的硫代乙酰胺（ch3csnh2）并搅拌均匀；最后将所得溶液置于100 ℃油浴加热1 h，溶液变为深墨绿色，材料合成，最后将液体冷冻干燥为粉末，即为cus纳米粒子；（4）cus纳米纤维的绿色制备：配置质量分数为15%的聚乙烯吡咯烷酮（pvp）溶液，加入制备好的cus纳米粒子，配置成cus质量分数为0.5%的静电纺丝溶液，然后采用静电纺丝仪器并调节参数进行电纺丝，得到cus纳米纤维。其中，电压为10 kv，接收距离为10 cm。
37.上述方法制备的cus纳米粒子应用于光热杀菌，制备的cus纳米纤维用于原位修复皮肤伤口，且可应用于美容面膜中。
38.cus纳米粒子应用于光热杀菌的方法，包括如下步骤：（1）将大肠杆菌（e. coli）在肉汤培养基中培养18 h，并将细菌浓度调节至1
×
10
8 cfu/ml；（2）将15 mg cus 纳米粒子加入到1 ml细菌溶液中并充分混合；（3）成立了光照组和非光照组，光照组为将加cus 纳米粒子的菌液（试验组）和不加cus 纳米粒子的菌液（对照组）在3 w/cm2近红外激光下照射10分钟；（4）将步骤3的菌液分别导入培养皿与琼脂一起培养，37℃培养20 h，然后通过菌落计数法测试材料的抗菌性能。
39.cus纳米纤维用于原位修复皮肤伤口的方法，包括如下步骤：（1）准备足够量的小鼠，用10％的水合氯醛麻醉动物，然后用手术剪刀在每只小鼠的背部和肩膀两侧切成圆形区域（直径约10 mm）；（2）然后用50μl mrsa细菌悬液（1
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10
8 cfu/ml）感染小鼠组织。 24小时后，在感染的伤口上观察到脓液；（3）将小鼠分为6组：对照组，近红外激光（nir）照射组，0.5% cus组，0.5% cus + nir组。对伤口进行如下不同处理：对照组：对伤口不进行处理；nir组：对伤口进行近红外激光照射，光照条件为980 nm，3 w/cm2的 nir 10分钟；cus组：使用手持式静电纺丝仪器将静电纺丝溶液原位电纺于伤口上，不进行红外激光照射；cus + nir组：使用手持式静电纺丝仪器将电纺丝溶液原位电纺于伤口上，并进行激光照射，光照条件为980 nm，3 w/cm
2 nir 10分钟；（4）观察伤口的恢复情况并获取皮肤样本进行分析。
40.实施例2制备所得cus纳米粒子溶液所测的uv
‑
vis图如图1所示，表明cus纳米粒子材料具有较强的近红外吸收，具备光热杀菌的潜力。
41.实施例2制备所得的cus纳米粒子溶液在980 nm近红外光（nir）照射下，不同浓度材料和水的加热曲线随时间的变化如图2所示。可以看到，较高浓度的cus 纳米粒子可以带来较高的温度。随着时间的增加，温度升高的速度越来越慢。在10分钟内，水的温度仅从25 ℃升高到39 ℃，而cus纳米粒子的浓度从25 ℃升高到56 ℃（600 mg/l）。结果表明，cus纳
米粒子具有良好的光热性能，可作为杀菌的优良光热剂。
42.实施例2制备所得的cus纳米粒子在不同浓度下对大肠杆菌（a）和金黄色葡萄球菌（b）的抗菌效率的统计图如图3所示。从图中直观可见，随着材料浓度的增加，抗菌作用逐渐增强；并且在每个浓度下，加近红外激光（nir）的抗菌效果均高于未使用激光的情况。图3a显示了材料对大肠杆菌的抗菌性能，当浓度为600 mg/l时，加nir的材料灭菌率几乎为100％，而没有加激光的灭菌率仅为55％。对于金黄色葡萄球菌（图3b），在300 mg/l的浓度下可观察到类似现象（nir为95％，无nir为86％）。表明该材料具有的优异的光热效应可以用于灭菌。
43.实施例2制备所得的cus复合纳米纤维和天然鸡蛋壳膜的sem图像如图4所示。图a为天然蛋壳膜，图b为cus复合纳米纤维。可以看出制备的cus纳米复合纤维与天然蛋壳膜结构相似，具有三维分层多孔网络结构。据报道，蛋壳膜独特的三维网络结构可以促进伤口的氧交换，从而促进伤口愈合并用作伤口敷料。因此，模拟蛋壳膜的多功能纳米纤维可以有效地促进皮肤伤口愈合。
44.以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。