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细菌纤维素基复合水凝胶的制备及其评价

王彩霞  
【摘要】:细菌纤维素(Bacterial Cellulose, BC)是一种由微生物合成的天然高分子水凝胶材料。因具有高纯度和高结晶度、较强的持水性和透气性、合适的抗张强度和弹性模量、较高的生物安全性等许多优良的特性而被广泛应用于食品、造纸、化妆品、声音震动膜、石油开采、环保、生物医学等领域。作为一种新型的生物纳米材料,BC因其绿色、无枯竭等优势已成为国内外争相追捧的研究热点。 在生物医学领域,BC已在人工血管、医用敷料、神经导管、硬脑壳膜、半月板,软骨组织支架等方面获得了广泛的研究,井且BC医用敷料已有产品获得生产上市。虽然BC的优良性能为其在以上领域的开发研究奠定了较为坚实的基础,但仍存在一些局限性:转譬如,高含水BC的湿态强度较差,这就限制了其在某些机械强度要求较高材料上的进步应用;BC纤维中的水分在受力时很容易被挤出,造成持水能力的下降;另外,BC本身井不具有抗菌性,用作创伤敷料时,难以应对伤口的感染。因此,目前很多研究集中于对BC进行改性,进一步提高其理化性能以开辟更为广阔的应用发展空间。通过离子键及共价健获得的两种高分子经互传、半互传或混合获得的双网络(Double Networks、DN)水凝月交是获得高机械性能水凝胶的有效途径。此外纳米网状水凝胶,被认为能够有效帮助金属纳米颗粒稳定及分散并且能有效控制纳米颗粒尺寸。 本课题基于改善BC的性能以深化其在生物医学领域的应川为目的,利用BC为基体,在自由基聚合作用下将典其与具有良好生物相容性的聚丙烯酸胺(Polyacrylamide, PAM)复合,形成其有互穿双网络结构的复合材料。SEM及FTIR表征结果均证明了复合材料的成功合成,并且其热稳定性较纯BC明明显获得提升;交联剂N.N-甲义亚甲基双内烯酰胺(N,N-methylene methylene double acrylamide, MBA)浓度的增加被证明明能显著提高材料的保水性能;与此同时,单体或者交联剂浓度的递增都会较大程度的提升材料的杨氏模量;这说明,PAM与BC的复合获得了机械性能更优的复合材料,成功地增强了其抗击形变的能力。另外,对材料的生物相容性进行了初步评价,猪髋动脉内皮细胞(PIEC)和小鼠成纤维细胞(L929)为种子细胞,MTT实验结果发现BC及BC/PAM复合材料均能一定程度上支持PIEC细胞的生长、增殖,但BC较BC/PAM效果更好;并且材料上PIEC细胞地增殖情况要明显优于L929细胞;SEM细胞形态结果表明,材料上的两种细胞均能获得一定程度的铺展。 BC/PAM复合材料在机械性能上已有了较大提升,但在溶胀性方面的表现仍显不足。故进一步选取了已被广泛应用于医用敷料并具有优良溶胀、保水性能的海藻酸钙(Calcium Alginate, CA)为第二网络与BC进行双网络复合材料的制备。SEM扫描电镜图片发现,经交联剂CaCl2交联后的BC/CA纤维网络结构更加致密;溶胀、保水性均随海藻酸盐浓度的增加获得显著提升,保水性尤其明显。与BC/PAM的表现类似,BC/CA的杨氏模量同样随单体浓度的加大而提高,即复合材料的机械性能获得显著提升。对材料的生物相容性进行了初步研究,MTT实验结果表明,BC及BC/CA复合材料均能很好地支持PIEC细胞的增殖生长;而L929细胞在两种材料上的生长活力均不及玻片。SEM细胞形态的结果表明,细胞在材料上均能得到一定程度的铺展,尤其是PIEC细胞。 纳米银粒子作为一种广谱抗菌剂被广泛研究应用,以纳米网络DN水凝胶为模板原位合成小尺寸纳米银颗粒是一种极具前景的合成策略,同时也拓宽复合材料的功能性。本课题利用制备的性能优化的BC基复合材料为基体,在其上进行原位纳米银粒子的合成,赋予其抗菌性能,以期深化其在创伤敷料领域的应用。通过研究发现,复合材料中合成的银纳米粒子含量在1.46%-2.28%(w/w)之间。纳米银粒子的平均粒径以BC/PAM-AgNPs最高,为68mm,其它材料均在25mm左右,并且所有材料的银粒径分布范围均较窄。抗菌性的研究分析表明。所有材料对金黄色葡萄球菌均具有极好的抗菌性。但是对载纳米银材料的生物相容性分析显示,在一定程度上会抑制PIEC及1929细胞的生长,并呈银浓度浓依赖性。


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