摘 要

细菌纤维素（BC），细菌新陈代谢的胞外形成的天然产物，高纯度、高结晶度、较大机械强度、高保水值、无毒性，生物相容性良好。在医药与组织工程、食品和功能材料等多个领域有广泛用途。近年来更是由于其良好的生物相容性而被应用于伤口敷料、人造血管等，是一种很有发展前景的生物材料。细菌纤维素有缺点是其锁水性能差，通过掺入高分子聚合物将改变细菌纤维素的结晶和力学性能。因此本文的主要目的是利用高分子聚乙二醇木糖醇癸二酸共聚物（PEXS）与BC结合形成复合水凝胶得到高弹性高强度水凝胶。通过控制聚合物和BC的比例，测试水凝胶的溶胀比，并通过傅里叶红外和场发射扫描电镜观察复合水凝胶的组成和结构，并通过压缩试验分析其机械性能。实验结果：复合水凝胶为物理作用结合，多孔结构。BC增强了水凝胶吸水性，1%（wt）BC溶液与30%（wt）PEXS溶液体积比70/30的溶液光聚制成的水凝胶溶胀比最大。但随着BC/PEXS比例的增加，水凝胶的最大应变、最大应力和杨氏模量会减小。

关键词：细菌纤维素，共聚物，复合水凝胶，光聚合

Abstract

Bacterial cellulose (BC), a natural product of bacterial metabolism formed outside the cell, with high purity, high crystallinity, great mechanical strength, high water retention value, non-toxicity and good biocompatibility. It is widely used in medicine and tissue engineering, food and functional materials. In recent years, because of its good biocompatibility, it has been used in wound dressings, artificial blood vessels, etc. Bacterial cellulose has the disadvantage of poor water-holding property, which will change the crystallization and mechanical properties of bacterial cellulose by adding polymer to form a double crosslinking network. Therefore, the main purpose of this paper is to combine polyethylene glycol xylitol sebacic acid copolymer (PEXS) with BC to form composite hydrogels with high elasticity and strength. The swelling ratio of the hydrogel was measured by controlling the ratio of polymer to BC, and the composition and structure of the composite hydrogel were observed by ftir and field emission scanning electron microscopy, and its mechanical properties were analyzed by compression test. Experimental results: Composite hydrogels are physically bonded, porous structures. BC enhances the hydrogel water absorption, and the hydrogel has a maximum swelling ratio of 1% (wt) BC solution and 30% (wt) PEXS solution volume ratio of 70/30 solution. However, as the BC/PEX ratio increases, the maximum strain, maximum stress, and Young's modulus of the hydrogel decrease.

Key words：bacterial cellulose，copolymer，composite hydrogel，photopolymerization

目录

第1章 绪论 1

1.1细菌纤维素 1

1.1.1细菌纤维素简介 1

1.1.2细菌纤维素的培养 2

1.1.3细菌纤维素的生物合成 2

1.1.4细菌纤维素的结构 3

1.1.5细菌纤维素的应用 3

1.1.5.1 BC在医学领域的应用 3

1.1.5.2伤口敷料 3

1.1.5.3人造皮肤 3

1.1.5.4血管组织工程 4

1.1.5.5抗凝血特性 4

1.1.5.6骨组织再生 4

1.1.5.7医学领域的其他应用 5

1.2水凝胶 5

1.2.1水凝胶简介 5

1.2.2水凝胶的合成 6

1.3本论文的主要研究内容 6

第2章 BC/PEXS水凝胶的制备及表征 7

2.1 BC的制备 7

2.1.1菌种 7

2.1.2实验仪器 7

2.1.3实验材料 7

2.1.4培养基 8

2.1.5实验准备 8

2.1.6取菌接种 8

2.1.7细菌纤维素膜的制备 9

2.1.8细菌纤维素膜的后处理 9

2.1.9细菌纤维素粉末的制备 9

2.2PEXS-3A预聚物的合成 10

2.2.1实验试剂 10

2.2.2主要实验仪器 11

2.2.3实验准备 11

2.2.4预聚物的合成 11

2.2.5预聚物提纯 12

2.2.6二氯甲烷的除水 12

2.2.7预聚物的酰基化 12

2.2.8酰基化产物的提纯与干燥 13

2.2.9酰基化后产物的纯化 13

2.2.10PEXS-3A预聚物的¹H-NMR表征 14

2.3 PEXS/BC复合材料的制备 15

2.3.1实验试剂与实验器材 15

2.3.2实验过程 15

2.3.3 PEXS/BC的最终合成—光聚和 15

2.3.4水凝胶的溶胀比测定 16

2.3.5水凝胶力学性能测试 16

2.3.6红外光谱测试 16

2.3.7水凝胶的微观材料 16

第3章 实验结果与讨论 17

3.1水凝胶的溶胀比测定 17

3.2水凝胶力学性能测试 19

3.3红外光谱测试 20

3.4水凝胶的微观结构 21

第4章 结论 22

参考文献 23

致谢 25

第1章 绪论

1.1细菌纤维素

1.1.1细菌纤维素简介

纤维素（cellulose）是一种天然高分子，它在地球上含量丰富，是宝贵的天然可再生资源，取之不尽用之不竭。160多年以前,纤维素化学工业开始发展，从此，细菌纤维素成了高分子化学诞生和发展的主要研究对象。纤维素的主要成分是大分子多糖。分布广、含量多，占植物界碳含量的一半以上，不溶于水和一般的有机溶剂。最纯天然纤维素来源是棉花，纤维素含量大概为90%。关于纤维素的生产方法，它可以取自天然合成，也可以用工业的方法合成。这些聚合物有广泛的运用，例如造纸，纺织，医疗等等。

除植物外，微生物（例如细菌）也可以产生纤维素，叫做细菌纤维素（BC）。细菌纤维素是由细菌进行新陈代谢而形成的天然产物。布朗^[1]在1886年首次报道了由某些细菌（如木醋杆菌）合成的细菌纤维素，经过分析发现了类似纤维素的结构，然后将它命名为细菌纤维素（BC）。细菌纤维素是由吡喃葡萄糖残基以β-1，4-糖苷键连接而成的高分子，其作为多功能纳米生物材料被广泛接受，纯度高、结晶度高、机械强度较大、保水值高、无毒、有良好的生物相容性。细菌纤维素因为优异的性能而被广泛应用。例如：良好的生物相融性可以让细菌纤维素作皮肤敷料和人造血管等；亲水性和稳定性让细菌纤维素可作为食品成型剂等；易降解性^[2]则让细菌纤维素可以用在造纸工业中提高纸张回收利用率等等。到目前，在多个领域中，细菌纤维素已经被广泛使用，包括但不限于我们上文所涉及的生物医药、食品和功能材料等领域。在人口增长，资源匮乏的今天，细菌纤维素因这些优良性能将具有良好的发展前景和极高的商业价值。

细菌纤维素的分子结构单元，和植物天然纤维素相同，但细菌纤维素也有着许多独特性质^[3]。如下：

①没有木质素等伴生产物，具有更高的结晶度（细菌纤维素95%，植物纤维素65%）和聚合度(DP 2 000～8 000)；

②超精细网状结构；

③弹性模量高，抗张强度高；

④很强的保水能力（wrv）。冷冻干燥时，WRV＞600%；未干燥时，WRV值更高。细菌纤维素在水中100℃干燥后的分解能力与棉纤维相似；

⑤生物相容性、适应性良好；

⑥在进行生物合成时具有可调控性。

能合成细菌纤维素的菌种主要有以下四种：醋酸菌属（Acetobacter）、土壤杆菌属（Agrobacterium）、根瘤菌属（Rhizobium）和八叠球菌属（Sarcina）。这四种菌种中，比较典型的是菌种是醋酸菌属中的葡糖醋杆菌（Glucoacetobacterxylinum，旧名木醋杆菌Acetobacter xylinum），它的纤维素生产能力最好，是研究纤维素的模型菌株。合成细菌纤维素的四种菌种的特点^[4]如下表1.1。

表1.1细菌纤维素菌种的特点

1.1.2细菌纤维素的培养

细菌纤维素常见的培养方式为动态培养和静态培养。一般细菌纤维素生产菌在静态培养条件下产量高，在动态培养条件下产量偏低。调节细菌培养的条件，不同的培养方法培养出的细菌纤维素化学性质会有差异。例如，在培养液中加入水溶性高分子可以培养获得不同微结构的纤维。另外，我们也可以通过改变不同葡萄糖衍生物碳源，以此来控制微纤维的纳米尺寸，得到我们想要的纤维素。同样，用不同的模型去培养，便可以形成各种形状的功能材料以满足不同的需求。

1.1.3细菌纤维素的生物合成

图1.1细菌纤维素的生物合成过程

1.1.4细菌纤维素的结构

图1.2细菌纤维素的结构式

1.1.5细菌纤维素的应用

1.1.5.1 BC在医学领域的应用

细菌纤维素它具有结构和性质都很独特，在生物医学领域中，越来越多的被人们关注。如抗拉强度高、表面亲水、生物降解性和生物亲好，与天然细胞外基质同源的结构，纳米结构等，都使BC能够在生物医学应用中，成为一种有发展前景的材料。

1.1.5.2伤口敷料

伤口愈合的目标是恢复皮肤的生物和结构功能，并阻止疤痕组织的形成。BC似乎是人类皮肤的合适替代品，可在伤口愈合过程中形成保护屏障并输送治疗化合物。

1.1.5.3人造皮肤

独特的网络结构，含水性和机械特性，使得BC不仅可以用作伤口愈合治疗，还可以用作半永久性人造皮肤，甚至在最严重的上皮损伤后诱导上皮恢复。对于严重皮肤损伤(例如烧伤患者、史蒂文斯-约翰逊综合征等)的患者，细胞接种的BC皮肤替代物可以是自体移植的改进替代物^[5]。Lin等人通过物理破坏，然后用不同的细胞外基质，也就是胶原、弹性蛋白和透明质酸，还有用生长因子顺序修饰，制备出大孔BC水凝胶，以此来增强生物降解性与生物相容性^[6]。因此，用胶原蛋白或生长因子氢表皮生长因子修饰生物相容性水凝胶可能是一种改善生物相容性的可行方法，从而为理想的皮肤替代物提供非常理想的特性。

1.1.5.4血管组织工程

冠心病的出现和增加(Rosamond等人，2008年)带来了对替换血管的需求。人造血管，例如：聚对苯二甲酸乙二醇酯。膨体聚四氟乙烯是最常用的低收缩性搭桥手术血管移植材料，但仅在大直径血管上取得了令人满意的成功，而由于早期血栓形成，它们的性能不如直径小于6 mm的小直径血管^[7](Fink等人，2011年；Rosamond等人，2008年)。到目前为止，寻找合适的人造小直径血管的工作仍在进行，因为还没有任何东西能取得令人满意的长期成功(Hamilton和Vorp，2004年)。

然而，作为一种有发展前景的材料，BC似乎比上述合成聚合物有一些优势。(1)使用不同的生产技术，BC可以制备成不同长度和直径的管子。(2) BC的顺应性和机械性能类似于天然动脉^[8]。(3)裸BC管的生物相容性，血液相容性均良好。(4)我们可以人为的去修饰BC的内表面，达到增加血液相容性的目的。(5)并且可以改变BC支架的孔隙率以促进细胞向内生长(Rosamond等人,2008年)。

具有所需长度、内径和厚度的管状BC凝胶已经通过简单的技术在短培养时间内合成(Putra等人，2008年)。贝克达尔·赫和他的同事们还研究了在垂直发酵生物反应器中使用硅胶管作为支撑和氧气输送膜的细菌培养管的生长，也就是管状细菌纤维素可以用来代替我们的血管。致密薄层BC网络，具有良好的机械性能。

1.1.5.5抗凝血特性

生物相容性是生物材料在特定情况下以适当的宿主反应发挥作用的能力。接触血液的生物材料和人造器官，例如人造血管，需要我们去改善它的血液相容性，才能临床使用。但是现在我们研究出来的血管替代物，还不能完全实现这一目标。

Fink等人(2010年)首次评估了基于BC的血管移植管的血栓形成特性，并将其与聚对苯二甲酸乙二酯和膨胀聚四氟乙烯的商业血管移植物进行了比较。(ePTFE)。结果表明，BC不会在很大程度上诱导血浆凝固。与聚酯和膨体聚四氟乙烯相比。BC的表现是非常好，诱导凝血级联反应最少。

1.1.5.6骨组织再生

骨是由一种基质构成的，该基质主要由羟基磷灰石矿化的胶原蛋白组成。骨骼可以被看作是一种分级纳米结构生物材料，为了模仿骨骼，已经开发了一种协同支架。作为骨组织工程中最受欢迎的生物医学方法之一，由合成聚合物制成的电纺纳米纤维作为骨再生的生物材料已经被深入研究^[9]。

如上所述，骨组织主要由羟基磷灰石(HAp)和胶原蛋白组成。由于生物相容性、干态和湿态下的高拉伸强度、细纤维网络、高结晶度和可模塑性，BC是模拟胶原纤维的有吸引力的替代物。因此，骨桥因其与胶原蛋白的纳米结构和形态相似性而被重点用作潜在的骨组织支架，胶原蛋白可作为基质提供与细胞和体液的最大整合。此外，BC还具有促进细胞粘附的纳米结构表面。

1.1.5.7医学领域的其他应用

Mohd Amin等人(2012年)通过暴露于加速电子束辐射下，制备了粉末BC和丙烯酸用于药物递送的水凝胶:结果表明水凝胶对温度和酸碱度都有响应，因此使其成为基于蛋白质的药物的受控递送系统的候选。纤维素与微通道(0~500微米)一起制造，以模拟膝关节半月板中心区域的超微结构。结果表明，微通道可以促进细胞和胶原纤维的排列，相反胶原纤维的平行取向增强了组织，使其适合膝关节半月板和肌腱的替换( Martinez等人，2012年)。在可植入组织和器官支架(如肾脏或肝脏)中具有潜在应用。进行了结构特性、机械性能和生物相容性的测试，完全可以预期其优越的性能。此外，通过交联混合的BC和海藻酸钠溶液，随后冷冻干燥过程制备的海绵已经被开发用于口腔组织再生中的粘膜瓣。海藻酸盐含量为30 %的复合材料具有生物相容性、结构稳定性和良好的耐缝合撕裂性等优点。海绵可以支持人类角质细胞(HaCat)和牙龈成纤维细胞(GF)的增殖(Chiaoprakobkij等人，2011年)。对30只6个月大的新西兰雄性白兔进行了喉重建试验，喉重建由细菌纤维素制成。结果表明，该物质没有引起明显的异物反应，并且在4个月的随访中保持稳定。

1.2水凝胶

1.2.1水凝胶简介

水凝胶（Hydrogel），一种以水为分散介质的凝胶，具有网状交联结构。水溶性或亲水性高分子，通过物理或化学交联，即可形成水凝胶。这种高分子网络的体系，性质柔软，可以保持一定的形状，也可以吸收大量的水,水凝胶可以根据网络键合的不同，分为物理凝胶和化学凝胶^[10,11]。物理凝胶通过物理作用力形成，如静电作用等，这种凝胶是非永久性凝胶，通过加热可以变成溶液，所以也叫做假凝胶（又名热可逆凝胶）。而化学凝胶是通过化学键交联形成，是一种三维网络聚合物，这种凝胶是永久性凝胶，也叫做真凝胶。同时，水凝胶根据大小可分宏观凝胶与微观凝胶（微球）；根据形状不同，宏观凝胶又分为柱状、膜状、球状等，制备的微球也有微米级、纳米级之分。水凝胶作为一种高吸水高保水材料被广泛使用^[12-14]，如：食品中的保鲜剂、医疗中的药物载体等等。面对不同的需求，不同的应用领域，可以选用不同的高分子原料。

1.2.2水凝胶的合成

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