专利名称：一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种生物材料复合制备领域，特别涉及一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶的制备。
背景技术：
高分子水凝胶，是一种能够在水中溶胀、吸收并保持大量水分而又不溶解于水的亲水性的网状高分子溶胀体，表面光滑，生物相容性好，在生物和医学工程领域得到了广泛的研究和应用。高分子水凝胶具有与人体组织性能相似的优点，如较高的含水量、柔韧性和低毒性。而且，水凝胶的表面张力比较低，基本不会从体液中吸附蛋白质，因而其对人体的影响大幅降低。此外，小分子可以自由的扩散进和扩散出水凝胶，使得水凝胶成为药物缓释的理想载体。高分子水凝胶还可广泛应用于伤口敷料和器官修复领域(如角膜、肌肉、皮肤、软骨等方面)。聚乙烯醇(PVA)水凝胶是亲水性聚乙烯醇大分子经交联后形成的网络状结构的水溶胀体。PVA水凝胶具有稳定的化学性质、良好的物理机械性能、易于成型、与人体组织良好的生物相容性，尤其是PVA水凝胶与人体组织性能相似的物理性质、对水分子等优异的透过性、适宜的扩展性、良好的柔韧性等，这些特性使PVA水凝胶可以用作伤口敷料、药物释放载体、人造组织、组织工程等生物医学领域。特别是研究证实PVA水凝胶具有和人体关节软骨类似的生物力学性质和良好的生物相容性，植入人体后能重建平滑的软骨面，减轻磨损，部分替代关节软骨，延缓或阻止创伤性骨关节炎的发生，是一种理想的关节软骨替代材料。但与人关节软骨相比PVA水凝胶的力学强度较弱，为改善PVA水凝胶的力学性能，本发明将PVA水凝胶与具有优异力学性能的细菌纤维素水凝胶复合。细菌纤维素(BC)是由葡萄糖以β-1，4-糖苷链连接而成的高分子化合物，作为一种优良的生物材料，BC在湿润状态下形成的细菌纤维素水凝胶具有其独特的物理、化学性能其具有天然的三维纳米网络`结构；良好的力学性能；高亲水性，良好的透气、吸水、透水性能。同时，细菌纤维素还具有良好的体内、体外生物相容性和良好的生物可降解性，这使得细菌纤维素被广泛用于生物医用材料，如皮肤敷料、人造皮肤、人造血管、组织工程支架材料等。研究表明，细菌纤维素水凝胶优异的力学性能(拉伸模量和弹性模量)可以达到与正常软骨相似的水平；同时软骨细胞在细菌纤维素上表现出高水平的生长，并且可以维持软骨分化、支持软骨细胞的迁移增殖。本专利采用浸溃法、冷冻-解冻法和辐照交联法，制备一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶。该水凝胶具有PVA水凝胶网络状结构与BC水凝胶网络结构形成的互穿网络结构，与人体软骨组织性能相似的物理性质、良好的力学性能、化学稳定性和生物相容性。本发明工艺简单、成本低、无污染，制备的细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶在伤口敷料、药物释放和组织修复，尤其是关节软骨修复、半月板修复等软骨组织修复中具有巨大的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶的制备方法。涉及一种生物材料复合制备领域。本发明工艺简单、成本低、无污染，且制备的复合水凝胶具有良好的力学性能、化学稳定性和生物相容性，在伤口敷料、药物释放和软骨组织修复等生物医用领域具有巨大的应用前景。本专利涉及的一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶的制备方法。包括由菌株发酵培养得到的细菌纤维素经纯化处理和脱水处理得到含水质量分数为30 50%的细菌纤维素水凝胶。采用浸溃法，使聚乙烯醇进入细菌纤维素水凝胶内部，得到的反应产物冷冻-解冻数次，然后在真空下脱水处理6 24h，最后经高能射线辐照处理得到细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶。作为优选的技术方案
其中，如上所述的一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶的制备方法，其特征是所述的发酵培养细菌纤维素的菌株是木醋杆菌、根瘤菌属、八叠球菌属、假单胞菌属、无色杆菌属、产碱菌属、气杆菌属或固氮菌属中的一种或几种。如上所述的一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶的制备方法，其特征是所述的纯化处理方法为，在70 100° C的温度下，在质量百分含量为4 8%的NaOH水溶液中洗涤4 6h，再用蒸馏水反复冲洗至中性。以除去细菌纤维素上的菌体蛋白和粘附在纤维素膜上的残余培养基。所述的脱水处理方法为，细菌纤维素经高速离心、真空脱水或压榨脱水得到含水质量分数为30 50%的细菌纤维素水凝胶。这种部分脱水的处理方法，目的是在不破坏细菌纤维素水凝胶三维网络结构的基础上去除多余的水分子。同时，提高浸溃处理时进入细菌纤维素水凝胶内部的聚乙烯醇水溶液的含量。如上所述的一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶的制备方法，其特征是所述的聚乙烯醇分子量为2 20万，醇解度为87 99%。聚乙烯醇是由乙酸乙烯酯聚合生成聚乙酸乙烯酯，然后，聚乙酸乙烯酯醇解而制备聚乙烯醇。聚乙烯醇的醇解度和分子量对聚乙烯醇的物理性质影响很大。醇解度为87 89%的聚乙烯醇水溶性较好，在水中能够快速溶解；而90% 99%的聚乙烯醇需要在热水中才能溶解。如上所述的一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶的制备方法，其特征是所述的浸溃法为在60 100°C下，将细菌纤维素水凝胶浸泡在含聚乙烯醇质量分数为10 25%的聚乙烯醇水溶液中4 12h。如上所述的一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶的制备方法，其特征是所述的冷冻-解冻方法为在-40 -10°C下，冷冻6 24h，然后在室温下解冻I 4h。反复次数为I 4次。。反复冷冻-解冻后，可使PVA水凝胶的一些物理性能和机械性能等有很大的提高。冷冻使水溶液中PVA的分子链的运动状态被“冻结”下来，分子链间可以发生相互作用及链缠结，甚至可以形成有序结构。解冻后，这些结合紧密的有序微区不再分开，成为“缠结点”。重新冻结时又有新的有序微区形成，这些微区称为“物理交联点”。用冷冻-解冻法可以促进分子运动，重新排列，通过分子链的折叠获得具有半结晶结构的PVA水凝胶。如上所述的一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶的制备方法，其特征是所述的真空脱水处理方法为反应产物在真空度为O. 02 O. 09MPa,温度为30 40°C下放置6 24h。真空脱水可以脱除PVA水凝胶中的部分水份，使PVA水凝胶中的分子链更加紧密，促进分子链通过氢键和微晶区形成三维网络，完善PVA水凝胶内部分子链的结晶结构，从而进一步提高PVA水凝胶的力学性能。如上所述的一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶的制备方法，其特征是所述的高能射线辐照处理为Y -射线、电子束、X光或紫外线，辐照剂量为15 60kGy。在高能射线辐照处理作用下，聚乙烯醇分子链间通过产生的自由基而交联在一起。PVA水溶液在一定浓度以上被辐射时，交联度随辐射剂量的增大而增大，水凝胶的交联密度增大，网络结构中微孔的尺寸将会减小，从而使水凝胶的溶胀比、含水量等降低，故通过控制辐射剂量可以实现对交联密度的调控。辐射交联采用的高能射线能均匀地作用在PVA上，PVA的交联点分布均匀，并且交联度易于控制，能够进一步提高PVA水凝胶的交联密度，以使产物达到人体软骨组织的力学性能要求；同时辐照交联无需添加引发剂或交联剂，产物纯度高且具有较好的光学透明度，并且在加工过程中还可同步实现对细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶的消毒灭菌。与现有技术相比，本发明的有益效果是
本专利采用浸溃法、冷冻-解冻法和辐照交联法，制备一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶。该水凝胶具有PVA水凝胶网络状结构与BC水凝胶网络结构形成的互穿网络结构，与人体软骨组织性能相似的物理性质、良好的力学性能、化学稳定性和生物相容性。本发明工艺简单、成本低、无污染，水凝胶的制备过程中无需添加引发剂或交联剂，在辐照交联的同时完成了制品的消毒灭菌。制备的细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶在伤口敷料、药物释放和组织修复，尤其是关节软骨修复、半月板修复等软骨组织修复中具有巨大的应用前
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具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1 :
将由木醋杆菌发酵培养得到的细菌纤维素浸泡在质量百分含量为4%的NaOH水溶液中，在100°C的温度下加热6h，再用蒸馏水反复冲洗至中性。采用高速离心部分脱水得到含水质量分数为50%的细菌纤维素水凝胶。在60°C下，将分子量为20万，醇解度为87%的聚乙烯醇溶于蒸馏水中，配制成含聚乙烯醇质量分数为10%的聚乙烯醇水溶液。将细菌纤维素水凝胶浸泡在聚乙烯醇水溶液中，60°C 下，4h。浸溃处理后的复合物在-10°C下，冷冻24h，在室温下解冻lh，反复次数为4次。然后在真空度为0.02MPa，温度为30°C下放置24h。采用Y -射线辐照处理，辐照剂量为60kGy，得到细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶。实施例2
将由根瘤菌属发酵培养得到的细菌纤维素浸泡在质量百分含量为5%的NaOH水溶液中，在90°C的温度下加热5h，再用蒸馏水反复冲洗至中性。采用高速离心部分脱水得到含水质量分数为40%的细菌纤维素水凝胶。在60°C下，将分子量为15万，醇解度为89%的聚乙烯醇溶于蒸馏水中，配制成含聚乙烯醇质量分数为25%的聚乙烯醇水溶液。将细菌纤维素水凝胶浸泡在聚乙烯醇水溶液中，70°C下，6h。浸溃处理后的复合物在_20°C下，冷冻20h，在室温下解冻2h，反复次数为4次。然后在真空度为O. 04MPa，温度为40°C下放置6h。采用Y -射线辐照处理，辐照剂量为50kGy，得到细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶。实施例3
将由八叠球菌属发酵培养得到的细菌纤维素浸泡在质量百分含量为6%的NaOH水溶液中，在80°C的温度下加热4h，再用蒸馏水反复冲洗至中性。采用真空脱水处理得到含水质量分数为30%的细菌纤维素水凝胶。在70°C下，将分子量为12万，醇解度为90%的聚乙烯醇溶于蒸馏水中，配制成含聚乙烯醇质量分数为15%的聚乙烯醇水溶液。将细菌纤维素水凝胶浸泡在聚乙烯醇水溶液中，80°C 下，8h。浸溃处理后的复合物在_20°C下，冷冻16h，在室温下解冻3h，反复次数为3次。然后在真空度为O. 06MPa，温度为30°C下放置16h。采用电子束辐照处理，辐照剂量为40kGy，得到细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶。实施例4 将由假单胞菌属发酵培养得到的细菌纤维素浸泡在质量百分含量为7%的NaOH水溶液中，在70°C的温度下加热6h，再用蒸馏水反复冲洗至中性。采用真空脱水处理得到含水质量分数为50%的细菌纤维素水凝胶。在80°C下，将分子量为10万，醇解度为92%的聚乙烯醇溶于蒸馏水中，配制成含聚乙烯醇质量分数为10%的聚乙烯醇水溶液。将细菌纤维素水凝胶浸泡在聚乙烯醇水溶液中，90°C 下，10h。浸溃处理后的复合物在_30°C下，冷冻12h，在室温下解冻3h，反复次数为3次。然后在真空度为O. 09MPa，温度为40°C下放置12h。采用电子束辐照处理，辐照剂量为30kGy，得到细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶。实施例5
将由无色杆菌属发酵培养得到的细菌纤维素浸泡在质量百分含量为8%的NaOH水溶液中，在70°C的温度下加热5h，再用蒸馏水反复冲洗至中性。采用压榨脱水得到含水质量分数为40%的细菌纤维素水凝胶。在100°C下，将分子量为2万，醇解度为99%的聚乙烯醇溶于蒸馏水中，配制成含聚乙烯醇质量分数为25%的聚乙烯醇水溶液。将细菌纤维素水凝胶浸泡在聚乙烯醇水溶液中，100°C 下，12h。浸溃处理后的复合物在_30°C下，冷冻6h，在室温下解冻4h，反复次数为2次。然后在真空度为O. 02MPa，温度为30°C下放置12h。采用X光辐照处理，辐照剂量为20kGy，得到细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶。实施例6
将由气杆菌属发酵培养得到的细菌纤维素浸泡在质量百分含量为6%的NaOH水溶液中，在90°C的温度下加热4h，再用蒸馏水反复冲洗至中性。采用压榨脱水得到含水质量分数为30%的细菌纤维素水凝胶。在100°C下，将分子量为8万，醇解度为96%的聚乙烯醇溶于蒸馏水中，配制成含聚乙烯醇质量分数为20%的聚乙烯醇水溶液。将细菌纤维素水凝胶浸泡在聚乙烯醇水溶液中，100°C 下，6h。浸溃处理后的复合物在_40°C下，冷冻24h，在室温下解冻4h。然后在真空度为
O.09MPa，温度为40°C下放置24h。采用紫外线辐照处理，辐照剂量为15kGy，得到细菌纤维
素/聚乙烯醇复合水凝胶。`
权利要求
1.一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶的制备方法，包括由菌株发酵培养得到的细菌纤维素经纯化处理和脱水处理得到含水质量分数为30 50%的细菌纤维素水凝胶，采用浸溃法，使聚乙烯醇进入细菌纤维素水凝胶内部，得到的反应产物冷冻-解冻数次，然后在真空下脱水处理6 24h，最后经高能射线辐照处理得到细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶。
2.如权利要求1，一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶的制备方法，其特征是所述的发酵培养细菌纤维素的菌株是木醋杆菌、根瘤菌属、八叠球菌属、假单胞菌属、无色杆菌属、产碱菌属、气杆菌属或固氮菌属中的一种或几种。
3.如权利要求1，一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶的制备方法，其特征是所述的纯化处理方法为，在70 100°C的温度下，在质量百分含量为4 8%的NaOH水溶液中洗涤4 6h，再用蒸馏水反复冲洗至中性；所述的脱水处理方法为，细菌纤维素经高速离心、真空脱水或压榨脱水得到含水质量分数为30 50%的细菌纤维素水凝胶。
4.如权利要求1，一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶的制备方法，其特征是所述的聚乙烯醇分子量为2 20万，醇解度为87 99%。
5.如权利要求1，一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶的制备方法，其特征是所述的浸溃法为在60 100°C下，将细菌纤维素水凝胶浸泡在含聚乙烯醇质量分数为10 25%的聚乙烯醇水溶液中4 12h。
6.如权利要求1，一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶的制备方法，其特征是所述的冷冻-解冻方法为在-40 -10°C下，冷冻6 24h，然后在室温下解冻I 4h，反复次数为I 4次。
7.如权利要求1，一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶的制备方法，其特征是所述的真空脱水处理方法为反应产物在真空度为O. 02 O. 09MPa,温度为30 40°C下放置6 24h。
8.如权利要求1，一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶的制备方法，其特征是所述的高能射线辐照处理为Y-射线、电子束、X光或紫外线，辐照剂量为15 60kGy。
全文摘要
本发明公开了一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶的制备方法。涉及一种生物材料复合制备领域。包括由菌株发酵培养得到的细菌纤维素经纯化处理和脱水处理得到含水质量分数为30～50%的细菌纤维素水凝胶。采用浸渍法，使聚乙烯醇进入细菌纤维素水凝胶内部，得到的反应产物冷冻-解冻数次，然后在真空下脱水处理6～24h，最后经高能射线辐照处理得到细菌纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶。本发明工艺简单、成本低、无污染，且制备的复合水凝胶具有良好的力学性能、化学稳定性和生物相容性，在伤口敷料、药物释放和软骨组织修复等生物医用领域具有巨大的应用前景。
文档编号C08L29/04GK103044693SQ20121058791
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月29日 优先权日2012年12月29日
发明者钟春燕, 其他发明人请求不公开姓名 申请人:钟春燕