CN114410709B - 一种高强度细菌纤维素复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度细菌纤维素复合材料及其制备方法，其特征是采用原位培养的方法，在细菌纤维素培养过程中引入拉伸装置，使其原位生长时实现纤维素的定向排列；具体为向木醋杆菌生物培养液中添加可溶性聚合物，并于培养容器中放置可控伸缩的硅胶管，在细菌纤维素生物合成时向硅胶管中通氧气，调节硅胶管拉伸速度，生物合成的细菌纤维素水凝胶附着在硅胶管上沿拉伸方向形成高取向结构，同时培养液中的聚合物分子填充在细菌纤维素三维网状结构中，通过氢键相互作用力与细菌纤维素分子链连接，进一步提高了细菌纤维素复合材料的机械强度；制得的高强度细菌纤维素复合材料拉伸杨氏模量为3.0~8.0MPa，拉伸断裂应力为3.0~7.5MPa，拉伸断裂伸长率为10~40%。高强度细菌纤维素复合水凝胶属于高附加值生物材料，经机械和化学手段复合改性，其力学性能优于传统水凝胶，具有广阔的市场发展潜力。

Description

一种高强度细菌纤维素复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物材料的制备技术领域，特别是涉及一种高强度细菌纤维素复合材料及其制备方法。

背景技术

细菌纤维素是由木醋杆菌等微生物发酵合成的多孔性网状纳米级生物高分子聚合物，属于新型生物基纳米材料，同时也可将其看作是一种天然水凝胶。与植物纤维素不同，细菌纤维素并非细胞壁的结构成分，而是细菌分泌到胞外的产物，呈独立的丝状纤维形态，且不掺杂木质素、半纤维素等植物纤维素杂质。细菌纤维素直径为20～100nm，比植物纤维素（10μm）小2～3个数量级，故具有许多独特的理化性质和机械性能，包括超精细（纳米级）、高纯度、高结晶度 、高抗张强度和形状维持能力、极强的持水能力、较高的生物相容性等，在医疗卫生、食品科学、生物工程、功能材料领域均取得了一系列研究成果，具有良好的应用前景。

细菌纤维素水凝胶通常由木醋杆菌分泌而得，其形状和理化性质受培养条件的影响较大，且较弱的机械强度限制其在各领域的发展应用。究其原因，主要包括两方面，其一，细菌纤维素水凝胶内部纤维杂乱无序，结构网络中的交联点分布不均匀，施加外力时容易因应力集中导致水凝胶网络破裂；其二，细菌纤维素水凝胶中聚合物链的交联密度低，链与链之间摩擦力小。提高细菌纤维素水凝胶力学性能的常用手段，包括物理操作、增大交联密度、减小溶胀率、引入纤维状增强剂和制备互穿网络等途径。

专利200910069206.9涉及具有单向孔道阵列的细菌纤维素水凝胶及制备方法。利用微生物发酵方法制备纳米细菌纤维素水凝胶，经过碱液纯化处理并充分清洗后，得到纯净的细菌纤维素水凝胶，置于4℃环境下，利用加工中心或者程控微雕设备对其进行加工，再置于冰水中冷却以防止其受热变形，最后利用碱液和去离子水反复清洗后得到成品，平均直径为 100 -400pm且孔间距在1.0-1.5mm 范围内为单向孔道阵列。本发明可以通过控制模具和工艺参数等方法人为调控孔道的尺寸和排布。 具有单向孔道的细菌纤维素水凝胶在组织工程领域，如骨组织、角膜组织和神经组织修复中都将发挥重要作用。

专利201910526101.5提供了一种各向同性细菌纤维素材料的制备方法，包括以下步骤：将水凝胶进行切块处理，得到切块水凝胶；所述水凝胶为细菌纤维素水凝胶和细菌纤维素复合材料水凝胶中的一种或两种；将所述切块水凝胶进行压缩，得到各向同性细菌纤维素材料。为了提高各向同性细菌纤维素材料的功能性，本申请还提供了一种各向同性细菌纤维素材料的制备方法。本申请的制备方法得到了一种具有极低热膨胀率、轻质高强、各向同性的取向螺旋结构的细菌纤维素材料。

专利201910257423.4本发明涉及一种纳米纤维网络自增强细菌纤维素水凝胶及其制备方法，该水凝胶主要由具有Ⅰ型纤维素结晶的细菌纤维素、Ⅱ型纤维素结晶、纤维素无规分子链和水组成；具有Ⅰ型纤维素结晶的细菌纤维素以纳米纤维网络a形式存在；Ⅱ型纤维素结晶及纤维素无规分子链以网络b形式存在；网络a和b通过化学键和氢键的作用相互交织在一起。本发明中制备该水凝胶的方法是：将细菌纤维素纳米纤维浆粕加入到溶剂中至部分溶解形成悬浮液后，向其中加入交联剂进行化学交联，再去除多余的交联剂和所述溶剂中除水以外的组分。本发明所得水凝胶能够克服传统水凝胶的弱点，兼具高含水量、高强、高模和不溶胀特性。

以上报道的相关专利均是利用细菌纤维素为原料通过物理改性或复合制备而得，但需要专业设备或涉及复杂的化学过程，且改性效果仅作用在水凝胶表面，难以从根本上对细菌纤维素内部的结构和性质进行改善，且工艺复杂，操作困难。因此，有必要研究一种从细菌纤维素水凝胶内部结构的维度上提升其力学性能且操作简单的制备工艺。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种高强度细菌纤维素复合材料及其制备方法。本发明通过添加可溶性聚合物进行原位发酵、同时在培养容器中放置可控伸缩硅胶管的方式，使细菌纤维素水凝胶可附着硅胶管生长，沿拉伸方向形成高取向结构，进而提升其机械性能。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高强度细菌纤维素复合材料，其拉伸杨氏模量为3.0~8.0MPa，拉伸断裂应力为3.0~7.5MPa，拉伸断裂伸长率为10~40%，厚度为3~15mm。

一种高强度细菌纤维素复合材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）培养液的制备

将葡萄糖、酵母膏、蛋白胨、柠檬酸、磷酸二氢钾、磷酸氢二钠溶于去离子水中，使用0.5~1.5 mol/L盐酸调节pH 为3~6，于100~125℃进行10~30min高温灭菌，得到培养液。

（2）菌种液的制备

将木醋杆菌菌种接种至培养液中，摇床转速130~180rpm/min，培养温度28~35℃，培养时间18~36 h，得到菌种液。

（3）定向排列生长发酵液的制备

将聚乙二醇、聚丙二醇、海藻酸钠、聚丙烯酸溶于培养液中，使用0.5~1.5 mol/L盐酸调节pH 为3~6，于100~125℃进行10~30min高温灭菌，得到定向排列生长发酵液。

（4）高强度细菌纤维素复合材料的制备

将菌种液与定向排列生长发酵液混合均匀，置于装有硅胶管及其控制拉伸装置的培养容器中，28~35℃静置培养，经清洗纯化即可得到高强度细菌纤维素复合材料。

如上所述的步骤（1）中， 添加葡萄糖的质量体积比为3~8% w/v；添加酵母膏的质量体积比为0.3~1.0% w/v；添加蛋白胨的质量体积比为0.3~1.0% w/v；添加柠檬酸的质量体积比为0.05~0.15% w/v；添加磷酸二氢钾的质量体积比为0.05~0.15% w/v；添加磷酸氢二钠的质量体积比为0.1~0.4% w/v。

如上所述的步骤（2）中，木醋杆菌菌种为ATCC23767。

如上所述的步骤（3）中，聚乙二醇分子量为10000~30000，添加量为1 wt%~5 wt%；聚丙二醇分子量为500~4000，添加量为0.001 wt %~2 wt %；海藻酸钠添加量为0.01 wt %~1 wt %；聚丙烯酸分子量为3000~5000，添加量为0.01 wt %~2 wt %。

细菌纤维素是微生物发酵分泌到胞外的产物，具有全生物来源，且发酵过程中培养环境温和，但传统培养方式得到的细菌纤维素内部结构排列无序，即使其结晶度较高，力学强度仍不理想，无法满足应用需求。目前研究常在细菌纤维素结构中引入聚合物粘合材料、结构材料后再拉伸，从而达到提高复合材料整体强度的目的。本发明在细菌生长过程中引入长链段的聚合物，利用氢键间相互作用，使细菌沿聚合物长链段生长分泌纤维素，在宏观结构上构建细菌纤维素的高度取向。

如上所述的步骤（4）中，菌种液体积为定向排列生长发酵液体积的5~15%；硅胶管的拉伸速度为1~3mm/h；硅胶管中氧气流速为10~50ml/min；细菌纤维素培养时间为3~10天。

为解决传统水凝胶内部结构无序导致力学性能不理想的缺陷，目前研究常对培养好的细菌纤维素水凝胶进行物理干涉，改变其网络结构的杂乱状态，从而提升水凝胶的机械强度。由于采用先培养后改性的手段，性能提升范围十分有限，而本发明是在培养过程中通过拉伸装置施加预取向力，使细菌纤维素生长排列有序规整，结构网络中的交联点分布较均匀，施加外力时网络不宜破裂。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

（1）本发明在木醋杆菌的培养液中添加水溶性聚合物，目的是在培养过程中，利用氢键作用使细菌沿聚合物长链段生长分泌纤维素，聚合物的大分子链填充在细菌纤维素的三维网状结构中，从而得到高取向结构的细菌纤维素，极大改善了复合材料的力学性能。

（2）本发明在培养容器中设置可控伸缩的硅胶管，其两端配有拉伸载荷装置，通过控制拉伸速度，调控附着在硅胶管生长的细菌纤维素水凝胶的内部纤维排列，形成有序网络结构，依靠机械式改性有效解决传统水凝胶内部纤维杂乱无序导致力学性能差的缺陷。

（3）本发明采用原位发酵的培养方式制备细菌纤维素水凝胶，在培养液中添加可溶性聚合物的同时控制硅胶管的拉伸，使发酵产纤维素及其机械性能改性在同一体系中完成，大大缩短了工艺流程与时间，无需其他专业设备，易于工业化生产。

附图说明

图1为未改性细菌纤维素的SEM图；

图2为本发明制备的高强度细菌纤维素复合材料的SEM图；

图3为未改性和高强度细菌纤维素复合材料的XRD图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，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

一种高强度细菌纤维素复合材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）培养液的制备

将葡萄糖（4% w/v）、酵母膏（0.3% w/v）、蛋白胨（0.1% w/v）、柠檬酸（0.05% w/v）、磷酸二氢钾（0.15% w/v）、磷酸氢二钠（0.1% w/v）溶于去离子水中，使用1 mol/L盐酸调节pH 为3，于100℃进行30min高温灭菌，得到培养液。

（2）菌种液的制备

将木醋杆菌菌种（ATCC23767）接种至培养液中，摇床转速130rpm/min，培养温度28℃，培养时间24h，得到菌种液。

（3）定向排列生长发酵液的制备

将聚乙二醇（分子量为10000，添加量为5%）、聚丙二醇（分子量为4000，添加量为0.001%）、海藻酸钠（添加量为1%）、聚丙烯酸（分子量为3000，添加量为2%）溶于培养液中，使用1mol/L盐酸调节pH 为3，于110℃进行25min高温灭菌，得到定向排列生长发酵液。

（4）高强度细菌纤维素复合材料的制备

将菌种液与定向排列生长发酵液混合均匀（菌种液体积为定向排列生长发酵液体积的5%），置于装有硅胶管及其控制拉伸装置的培养容器中，硅胶管的拉伸速度为1mm/h，硅胶管中氧气流速为10ml/min ， 35℃静置培养10天，经清洗纯化即可得到高强度细菌纤维素复合材料。

图1和图2分别为未改性和高强度细菌纤维素复合材料的SEM图，由此可以看出，在细菌生长过程中引入长链段的聚合物，同时通过拉伸装置施加预取向力，可制备得到纤维排列有序的细菌纤维素材料，与传统培养得到的细菌纤维素的杂乱无序形成鲜明对比。

图3为未改性和高强度细菌纤维素复合材料的XRD图，经计算，未改性细菌纤维素的结晶度为87.78%，高强度细菌纤维素复合材料的结晶度为97.32%。高强度细菌纤维素复合材料其主要的三个衍射峰是14.1˚、16.4˚、22.3˚，证明该样品属于I型纤维素，这三个衍射峰晶面分别为10、101、002。高强度细菌纤维素复合材料的结晶度远大于未改性细菌纤维素的结晶度，进一步说明了引入聚合物和边拉伸边培养可有效改善纤维排列情况，形成有序结构进而提高了结晶度。

高强度细菌纤维素复合材料的拉伸杨氏模量为3.0MPa，拉伸断裂应力为3.0MPa，拉伸断裂伸长率为10%。

实施例2

一种高强度细菌纤维素复合材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）培养液的制备

将葡萄糖（3% w/v）、酵母膏（1% w/v）、蛋白胨（0.005% w/v）、柠檬酸（0.15% w/v）、磷酸二氢钾（0.005% w/v）、磷酸氢二钠（0.4% w/v）溶于去离子水中，使用0.5 mol/L盐酸调节pH 为6，于125℃进行10min高温灭菌，得到培养液。

（2）菌种液的制备

将木醋杆菌菌种（ATCC23767）接种至培养液中，摇床转速180rpm/min，培养温度35℃，培养时间36h，得到菌种液。

（3）定向排列生长发酵液的制备

将聚乙二醇（分子量为30000，添加量为1%）、聚丙二醇（分子量为500，添加量为2%）、海藻酸钠（添加量为0.01%）、聚丙烯酸（分子量为5000，添加量为0.01%）溶于培养液中，使用0.5mol/L盐酸调节pH 为5，于100℃进行30min高温灭菌，得到定向排列生长发酵液。

（4）高强度细菌纤维素复合材料的制备

将菌种液与定向排列生长发酵液混合均匀（菌种液体积为定向排列生长发酵液体积的15%），置于装有硅胶管及其控制拉伸装置的培养容器中，硅胶管的拉伸速度为2mm/h，硅胶管中氧气流速为30ml/min ，28℃静置培养8天，经清洗纯化即可得到高强度细菌纤维素复合材料。

高强度细菌纤维素复合材料的拉伸杨氏模量为8.0MPa，拉伸断裂应力为7.5MPa，拉伸断裂伸长率为40%。

实施例3

一种高强度细菌纤维素复合材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）培养液的制备

将葡萄糖（8% w/v）、酵母膏（0.5% w/v）、蛋白胨（0.15% w/v）、柠檬酸（0.1% w/v）、磷酸二氢钾（0.13% w/v）、磷酸氢二钠（0.3% w/v）溶于去离子水中，使用1.5 mol/L盐酸调节pH 为5，于110℃进行25min高温灭菌，得到培养液。

（2）菌种液的制备

将木醋杆菌菌种（ATCC23767）接种至培养液中，摇床转速150rpm/min，培养温度30℃，培养时间18h，得到菌种液。

（3）定向排列生长发酵液的制备

将聚乙二醇（分子量为20000，添加量为4%）、聚丙二醇（分子量为2000，添加量为1%）、海藻酸钠（添加量为0.5%）、聚丙烯酸（分子量为4000，添加量为1%）溶于培养液中，使用1.5mol/L盐酸调节pH 为6，于125℃进行10min高温灭菌，得到定向排列生长发酵液。

（4）高强度细菌纤维素复合材料的制备

将菌种液与定向排列生长发酵液混合均匀（菌种液体积为定向排列生长发酵液体积的10%），置于装有硅胶管及其控制拉伸装置的培养容器中，硅胶管的拉伸速度为3mm/h，硅胶管中氧气流速为50ml/min ， 30℃静置培养3天，经清洗纯化即可得到高强度细菌纤维素复合材料。

高强度细菌纤维素复合材料的拉伸杨氏模量为6.0MPa，拉伸断裂应力为7.2MPa，拉伸断裂伸长率为35%。

对比例1

一种细菌纤维素的制备方法，基本同实施例3，不同之处仅在于对比例1不进行步骤（3），且将步骤（4）中的菌种液直接置于培养容器中。

制得的细菌纤维素的拉伸杨氏模量为1.5MPa，拉伸断裂应力为1.52MPa，拉伸断裂伸长率为5%。

将实施例3与对比例1对比，实施例3制得的高强度细菌纤维素复合材料具有优异的力学性能，说明长链段聚合物的添加有益于细菌纤维素内部有序结构的形成，进一步提高其机械强度。

对比例2

一种细菌纤维素的制备方法，基本同实施例3，不同之处仅在于对比例1的步骤（4）中的菌种液与定向排列生长发酵液混合均匀后，置于普通培养容器中。

制得的细菌纤维素的拉伸杨氏模量为1.2MPa，断裂应力为1.19MPa，拉伸断裂伸长率为8%。

将实施例3与对比例2对比，实施例3制得的高强度细菌纤维素复合材料具有更佳的机械性能，说明在培养过程中通过拉伸装置施加预取向力，可使细菌纤维素内部结构网络中的交联点分布较均匀，施加外力时网络不宜破裂。

对比例3

一种细菌纤维素的制备方法，基本同实施例3，不同之处仅在于对比例1不进行步骤（3），且将步骤（4）中的菌种液置于普通培养容器中。

制得的细菌纤维素的拉伸杨氏模量为0.96MPa，断裂应力为0.95MPa，拉伸断裂伸长率为5%。

将实施例3与对比例3对比，实施例3制得的高强度细菌纤维素复合材料力学性能更好，更适应市场应用需求。对比例3制得的细菌纤维素即传统方式培养得到的细菌纤维素，由于其内部纤维结构排列无序，交联点分布不均匀，施加外力时极易断裂，无法得到更广泛的推广应用。

Claims (2)

1.一种高强度细菌纤维素复合材料的制备方法，其特征在于，所述的高强度细菌纤维素复合材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）培养液的制备

将葡萄糖、酵母膏、蛋白胨、柠檬酸、磷酸二氢钾、磷酸氢二钠溶于去离子水中，使用0.5~1.5 mol/L盐酸调节pH 为3~6，于100~125℃进行10~30min高温灭菌，得到培养液；

（2）菌种液的制备

将木醋杆菌菌种接种至培养液中，摇床转速130~180rpm/min，培养温度28~35℃，培养时间18~36 h，得到菌种液；

（3）定向排列生长发酵液的制备

将聚乙二醇、聚丙二醇、海藻酸钠、聚丙烯酸溶于培养液中，使用0.5~1.5 mol/L盐酸调节pH 为3~6，于100~125℃进行10~30min高温灭菌，得到定向排列生长发酵液；

（4）高强度细菌纤维素复合材料的制备

将菌种液与定向排列生长发酵液混合均匀，置于装有硅胶管及其控制拉伸装置的培养容器中，28~35℃静置培养，经清洗纯化即可得到高强度细菌纤维素复合材料；

所述的步骤（1）中， 添加葡萄糖的质量体积比为3~8% w/v；添加酵母膏的质量体积比为0.3~1.0% w/v；添加蛋白胨的质量体积比为0.3~1.0% w/v；添加柠檬酸的质量体积比为0.05~0.15% w/v；添加磷酸二氢钾的质量体积比为0.05~0.15% w/v；添加磷酸氢二钠的质量体积比为0.1~0.4% w/v；

所述的步骤（3）中，聚乙二醇分子量为10000~30000，添加量为1 wt%~5 wt%；聚丙二醇分子量为500~4000，添加量为0.001 wt %~2 wt %；海藻酸钠添加量为0.01 wt %~1 wt %；聚丙烯酸分子量为3000~5000，添加量为0.01 wt %~2 wt %；

所述的如上所述的步骤（4）中，菌种液体积为定向排列生长发酵液体积的5~15%；硅胶管的拉伸速度为1~3mm/h；硅胶管中氧气流速为10~50ml/min；细菌纤维素培养时间为3~10天。

2.如权利要求1所述的一种高强度细菌纤维素复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤（2）中，木醋杆菌菌种为ATCC23767。