一种生物相容性的柔性透明导电膜、制备方法及应用

本发明属于生物材料领域，具体涉及一种生物相容性的柔性透明导电膜、制备方法及应用。

背景技术：

1、随着组织工程材料的研究，柔性导电材料能够有效地增强细胞组织之间的交流，从而促进细胞增殖分化和组织修复，导电生物材料具有强的电荷注入能力，能够作为组织工程电刺激的基底或电极表面修饰，在生物组织工程领域引起更广泛的关注。

2、导电高分子是一种具有共轭结构的高分子聚合物，聚合简单，在掺杂状态下，能够达到高的导电率。如聚3,4乙烯二氧噻吩(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)，简称pedot)是一种聚噻吩衍生物，聚合过程中其单体3,4位发生取代，聚合形成的导电聚合物结构更规整，具有良好的导电性和稳定性；pedot的细胞内聚合实验更是证明了这种材料具有良好的生物相容性，是一种用于赋予组织工程支架导电性的理想共轭高聚物。然而导电高分子的不溶不熔的特点令他们加工困难。

3、纤维素是天然高分子，其来源丰富，生物相容性好。其中细菌纤维素(bacterialcellulose,简称bc)是在不同条件下由特定的微生物合成的纤维素，不具有木质来源纤维素中伴生的其他杂质成分，具有更高的纯度。bc生物相容性良好、具有精细的三维网络结构、优异的持水能力和力学性能，且纤维表面的多羟基结构便于改性，被广泛用于组织工程应用领域。除了直接用作基底膜，bc具有高的结晶度，在进行适当的处理之后可以获得纤维素纳米晶，也被用作口服药物、复合材料增强相和乳液稳定性助剂等。

4、在一些研究中，以细菌纤维素为模板材料，通过物理化学方法将导电聚合物与细菌纤维素结合，形成细菌纤维素基导电复合材料，成功解决导电高分子材料的成型加工问题，同时赋予细菌纤维素一定的电子导电性。

5、专利1(201110111019.x)和专利2(201410202049.5)中分别在细菌纤维素纤维真空干燥前后原位聚合聚吡咯和聚3,4乙烯二氧噻吩导电颗粒，获得不同的导电气凝胶，具有反应温和、速度较快、呈现三维网络结构。

6、导电聚合物以负离子基团进行掺杂是大幅度提高其导电率的有效手段之一。文献1(cellulose 22(4)(2015)2141-2148)中以聚苯乙烯磺酸盐(pss)掺杂pedot作为配合物，通过浸泡掺入湿态的bc中制备柔性导电复合膜，促进细胞粘附；专利3(201710147541.0)通过对bc纤维上的羟基进行磺化，对原位聚合的聚苯胺形成掺杂，制备电子-离子双导电机制的导电复合膜。

7、上述报道中的细菌纤维素膜为基底的导电材料存在以下的问题：

8、(1)原位聚合导电高分子的方法，有利于导电颗粒与基底材料的紧密结合，获得均匀的导电材料。然而冻干后的bc再复合导电聚合物或者先聚合导电聚合物再进行冻干，都将会失去bc原有的半透明特性、优异的持水能力和其柔软的特点，不能很好地发挥bc的优点；

9、(2)对导电高分子进行掺杂，尤其是负离子基团掺杂具有良好的导电性能提升作用。在水溶液状态反应下，以pss掺杂的商品化的pedot:pss颗粒却很难进入bc纤维内部，易造成导电颗粒分布不均匀，从而限制膜导电均匀性，且该导电颗粒与细菌纤维素不能形成有效结合，容易造成导电成分流失，极大地降低了该材料的稳定性；

10、(3)直接对bc进行负离子化改性的方法，如磺化改性需要对bc进行氧化，破坏了原始的显微结构，力学强度会大幅度降低，这样可能会使得该导电复合膜在要求膜材料有一定抗拉强度的情况下不适用，而且氧化后的bc发生较大的收缩，限制其进一步磺化的程度，同时不利于导电聚合物单体进入bc内部发生原位聚合。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供一种生物相容性的柔性透明导电膜、制备方法及应用，用于解决现有技术中存在的上述问题。

2、一种生物相容性的柔性透明导电膜的制备方法，

3、s1.采用纤维素制品制得纤维素纳米晶分散液；

4、s2.对所述纤维素纳米晶分散液进行改性进行负离子化处理，获得负离子化纤维素纳米晶；

5、s3.在负离子化纤维素纳米晶形成的分散液中滴加导电高分子单体，得到皮克林乳液；

6、s4.将所述皮克林乳液滴加在基底上，将纤维素膜浸入去离子水中，加入六水合三氯化铁和过硫酸铵，反应一定时间，得到所述生物相容性的电复合材料。

7、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s1包括：

8、s11.采用一定ph值、一定温度的氢氧化钠溶液对纤维素制品浸泡一定时间后，进行粉碎得到匀浆；

9、s12.将所述匀浆采用酸性缓冲液稀释到一定浓度进行强超声粉碎一段时间，得分散液；

10、s13.将分散液降温后加入一定量的纤维素酶，反应一段时间后达到一定的ph值时，进行清洗并分散后得到纤维素纳米晶。

11、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述纤维素制品为细菌纤维素。

12、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s2中的改性包括磺化改性和/或羧基化改性。

13、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述导电高分子单体包括聚3,4乙烯二氧噻吩、聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩中的一种或数种组合。

14、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述基底的材料包括细菌纤维素、壳聚糖或聚氨酯。

15、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，s2的磺化改性具体包括：

16、s211.在纤维素纳米晶分散液中，加入一定量的高碘酸盐，避光反应后离心清洗，获得双醛纤维素纳米晶；

17、s212.将清洗后的双醛细菌纤维素纳米晶再次强力分散在去离子水中，加入磺酸基化试剂，控制反应温度，连续反应1～24小时并连续搅拌，分离获得磺酸基化改性的细菌纤维素纳米晶，并清洗，获得磺化细菌纤维素纳米晶。

18、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s2的羧基化改性具体包括：

19、s221.将tempo氧化剂粉末以及溴化钠粉末，加入至纤维素纳米晶分散液中，滴加次氯酸钠溶液并搅拌；

20、s222.将一定浓度naoh溶液加入搅拌的纳米晶分散液中稳定ph在7～11，室温下反应30～60分钟，得到反应液；

21、s223.在所述反应液中滴加无水乙醇终止氧化反应，将所得产物离心清洗、抽滤过后，再加入去离子水强力分散，获得羧基化改性细菌纤维素分散液。

22、本发明还提供了一种生物相容性的柔性透明导电膜，所述导电膜采用所述的制备方法获得，所述导电膜在600nm波长处的透光率在30％～60％，导电率为10-4～10-1s/cm数量级，且保持着原始bc的力学强度，拉伸强度达到5～10mpa。

23、本发明还提供了一种生物相容性的柔性透明导电膜在细胞培养、细胞电刺激和组织修复中的应用。

24、本发明的有益效果

25、(1)、本发明通过导电聚合物单体在细菌纤维素膜表面原位聚合，以及负离子化纳米晶对导电聚合物形成掺杂，自组装在基底膜表面，制备的柔性导电凝胶膜材料，导电性优异，导电性能分布均匀，并且具有良好的生物相容性。

26、(2)、结合机械剪切匀浆，以强超声处理破坏纤维素纳米纤维之间的氢键，减少纤维素纳米纤维的自发聚集，令纳米纤维分散的更加均匀，最后加入纤维素酶在对纤维素的进行水解，达到均匀的水解效果，控制水解时间获得尺寸分布范围更窄的纤维素纳米晶材料。

27、(3)、该导电膜材料制备过程中使用的细菌纤维素基底膜无需改性加工处理，且在水溶液中进行反应，反应条件温和，简化了操作步骤，能够最大程度的保留细菌纤维素本身的特点，具有良好的生物相容性，三维网络结构特点，力学性能有所提升；同时，由于使用的导电聚合物含量较低，且负离子化纳米晶与导电颗粒之间的静电作用令带正电的导电颗粒更多的在纳米晶表面聚集，使得该柔性导电膜在保持高导电率的同时仍呈现透明的特性。

28、(4)、由负离子化纳米晶掺入过后制备的导电膜材料，与无掺杂的导电复合膜相比，膜的导电率明显提升，而且能够通过控制细菌纤维素纳米纤维的负离子化程度有效地调控膜的导电率和表面状态，该柔性透明导电膜材料在生物导电材料应用上有广阔的前景，如“电子皮肤”，与组织直接接触的生物电极，细胞电刺激和电活性导电组织工程支架的制备便于直接对刺激的细胞和组织进行观察等。