一种细菌纤维素纳米晶增强胶原基材料及其制备方法

1.本发明属于细菌纤维素材料领域，特别涉及一种细菌纤维素纳米晶增强胶原基材料及其制备方法。


背景技术：

2.胶原蛋白是哺乳动物体内含量最丰富的蛋白质，在生物材料的组织工程应用中，胶原蛋白由于低免疫原性，通常被认为是可再生利用的安全生物材料。除此之外，胶原蛋白中特定的氨基酸序列能够促进细胞的黏附，为细胞的生长增殖提供了合适的平台。但是由于胶原蛋白的三螺旋结构容易被破坏，导致生理条件下自发组装的纤维的机械强度往往较差，这使其在组织修复、重建等方面的应用受到了限制。
3.细菌纤维素、丝素蛋白、角蛋白、弹性蛋白等物质是具有天然纤维结构的高分子材料，这些材料优异的机械强度使它们成为改善组织工程材料力学性能的一种选择。但在天然纤维高分子材料与胶原蛋白共混过程中往往存在混合不均匀的难题，复合材料的力学性能也因此受到一定的影响；为了改善这一问题，通常需要对天然纤维材料改性。
4.因此，有必要提供一种具有良好理化性能和生物相容性的细菌纤维素纳米晶增强胶原基材料。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种细菌纤维素纳米晶增强胶原基材料的制备方法，既能够提供简便、快捷的制备工艺，不需要使用过多的化学试剂，又能提供额外的益处，克服其机械性能弱的缺点，从而进一步扩大材料的应用范围。
6.本发明提出一种细菌纤维素纳米晶增强胶原基材料的制备方法，主要包括：
7.(1)、将一定浓度的细菌纤维素悬浊液，通过酸解、离心、重悬、透析等操作，得到改性的细菌纤维素纳米晶溶液；
8.(2)、在一定的超声条件下，将步骤(1)获得的细菌纤维素纳米晶溶液超声处理，得到均一且稳定的细菌纤维素纳米晶溶液；
9.(3)、在醋酸中溶解牛跟腱i型胶原，配制一定浓度的胶原蛋白溶液，将步骤(2)所获得的稳定的细菌纤维素纳米晶溶液引入到胶原蛋白溶液体系中，分别以edc(碳化二亚胺)和nhs(n-羟基琥珀酰亚胺)为交联剂和催化剂，交联反应一定时间后得到细菌纤维素纳米晶-胶原复合体；
10.(4)、将步骤(3)中获得的细菌纤维素纳米晶-胶原复合体浇铸到模具中，通过不同的成型方法制得复合材料。
11.进一步的，在第(1)步骤中所述的细菌纤维素纳米晶溶液中，细菌纤维素纳米晶的质量分数为0.1％-2％。
12.进一步的，在步骤(1)中配制细菌纤维素纳米晶溶液的条件如下：向烧杯中加入30-50ml细菌纤维素悬浊液，将浓硫酸分批次加入至悬浊液中，直至溶液颜色由不透明乳白
色转变为澄清透明；制备中所用到的浓硫酸的浓度为50％-65％。
13.进一步的，在步骤(2)中所述的经超声处理的均一稳定的细菌纤维素纳米晶溶液的条件如下：在20℃-30℃温度条件下超声处理30-60min；超声频率为30-40khz，超声功率为220w-240w。
14.进一步的，在步骤(3)中所述的胶原蛋白溶液中，胶原蛋白的质量浓度为5mg/ml-7mg/ml。
15.进一步的，步骤(3)中胶原蛋白与细菌纤维素纳米晶的质量比为100:1-100:20。
16.进一步的，步骤(3)中edc(碳化二亚胺)与胶原蛋白质量比为1：6-7，edc(碳化二亚胺)与nhs(n-羟基琥珀酰亚胺)的质量比为1:1-1.5。
17.进一步的，在所述步骤(3)中细菌纤维素纳米晶溶液与胶原蛋白体系共混的条件如下：温度为20℃-30℃，搅拌速度为150-400r/min，搅拌时间为4-6h。
18.与现有的方法相比，本发明针对胶原蛋白在单独使用时力学性能不足的问题，将细菌纤维素纳米晶溶液引入到胶原基材料内部，从而改善了胶原基材料的力学性能，获得了一种具有良好理化性能和生物相容性的细菌纤维素纳米晶增强胶原基材料。
附图说明
19.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
20.图1为实施例1所制备得到的细菌纤维素纳米晶增强胶原基复合膜材料的照片。
21.图2为实施例1制备得到的细菌纤维素纳米晶增强胶原基复合膜材料和对比例1制备的纯胶原材料的应力-应变曲线图。
22.图3为实施例1制备得到的细菌纤维素纳米晶增强胶原基复合膜材料和对比例1制备的纯胶原材料的杨氏模量图。
23.图4为实施例2制备得到的细菌纤维素纳米晶增强胶原基复合膜材料和对比例2制备的纯胶原材料的应力-应变曲线图。
24.图5为实施例2制备得到的细菌纤维素纳米晶增强胶原基复合膜材料和对比例2制备的纯胶原材料的杨氏模量图。
具体实施方式
25.本发明提出一种细菌纤维素纳米晶增强胶原基材料的制备方法，主要包括：
26.(1)、将一定浓度的细菌纤维素悬浊液，通过酸解、离心、重悬、透析等操作，得到改性的细菌纤维素纳米晶溶液；
27.(2)、在一定的超声条件下，将步骤(1)获得的细菌纤维素纳米晶溶液超声处理，得到均一且稳定的细菌纤维素纳米晶溶液；
28.(3)、在醋酸中溶解牛跟腱i型胶原，配制一定浓度的胶原蛋白溶液，将步骤(2)所获得的稳定的细菌纤维素纳米晶溶液引入到胶原蛋白溶液体系中，分别以edc(碳化二亚胺)和nhs(n-羟基琥珀酰亚胺)为交联剂和催化剂，交联反应一定时间后得到细菌纤维素纳米晶-胶原复合体；
29.(4)、将步骤(3)中获得的细菌纤维素纳米晶-胶原复合体浇铸到模具中，制得细菌纤维素纳米晶增强胶原基材料。
30.所述步骤(1)所述的细菌纤维素纳米晶溶液中，细菌纤维素纳米晶的质量分数为0.1％-2％。
31.所述步骤(1)中配制细菌纤维素纳米晶溶液的条件如下：向烧杯中加入30-50ml细菌纤维素悬浊液，将浓硫酸分批次加入至悬浊液中，直至溶液颜色由不透明乳白色转变为澄清透明。制备中所用到的浓硫酸的浓度为50％-65％。
32.所述步骤(2)中所述的经超声处理的均一稳定的细菌纤维素纳米晶溶液的条件如下：在20℃-30℃温度条件下超声处理30-60min。超声频率为30-40khz，超声功率为220w-240w。
33.所述步骤(3)中所述的胶原蛋白溶液中，胶原蛋白的质量浓度为5mg/ml-7mg/ml。
34.所述步骤(3)中胶原蛋白与细菌纤维素纳米晶的质量比为100:1-100:20。
35.所述步骤(3)中edc(碳化二亚胺)与胶原蛋白质量比为1：6-7，edc(碳化二亚胺)与nhs(n-羟基琥珀酰亚胺)的质量比为1:1-1.5。
36.所述步骤(3)中细菌纤维素纳米晶溶液与胶原蛋白体系共混的条件如下：温度为20℃-30℃，搅拌速度为150-400r/min，搅拌时间为4-6h。
37.所述步骤(4)中通过不同成型方法制得的细菌纤维素纳米晶增强胶原复合材料，包括细菌纤维素纳米晶增强胶原基薄膜、细菌纤维素纳米晶增强胶原基纤维、细菌纤维素纳米晶增强胶原基微球和细菌纤维素纳米晶增强胶原基支架等复合材料。
38.针对胶原基材料在组织修复、重建等方面力学性能不足的问题，本发明通过对细菌纤维素酸化改性，得到细菌纤维素纳米晶，并将细菌纤维素纳米晶引入到胶原蛋白材料内部，改善了胶原基材料的力学性能。
39.为了使本发明所要解决的问题、方案以及有益效果更加清晰明了，下面结合实例对本发明进行进一步说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
40.实施例1
41.以胶原蛋白、细菌纤维素纳米晶等作为原料，制备一种细菌纤维素纳米晶增强胶原基材料。这种细菌纤维素纳米晶增强胶原基材料的制备步骤如下：
42.(1)、向烧杯中加入30ml细菌纤维素悬浊液，将浓度为60％的浓硫酸分批次加入至悬浊液中，直至溶液颜色由不透明乳白色转变为澄清透明。酸解结束后加入两倍体积蒸馏水终止反应，之后进行离心操作；离心结束后去掉上层清液，将下层沉淀重悬后再次离心，重复上述操作三次，取下层沉淀透析至溶液呈中性即可得到细菌纤维素纳米晶溶液。
43.(2)、将步骤(1)获得的细菌纤维素纳米晶溶液在20℃条件下超声处理30min，超声频率为40khz，超声功率为240w，得到均一稳定的细菌纤维素纳米晶溶液。
44.(3)、配制5mg/ml的胶原蛋白溶液，将步骤(2)获得的均一稳定的细菌纤维素纳米晶溶液引入到胶原蛋白溶液体系中，并在25℃下，以200r/min的搅拌速度持续共混5h。分别以edc(碳化二亚胺)和nhs(n-羟基琥珀酰亚胺)为交联剂和催化剂，其中edc(碳化二亚胺)与胶原蛋白的质量比为1:6，edc(碳化二亚胺)与nhs(n-羟基琥珀酰亚胺)的质量比为1:1，使得细菌纤维素纳米晶分子与胶原蛋白分子发生化学交联。
45.(4)、将步骤(3)中获得的细菌纤维素纳米晶-胶原溶液浇铸到模具中并在28℃条件下风干成膜，最终形成细菌纤维素纳米晶增强胶原基复合膜材料。
46.对比例1
47.(1)、在0.5mol/l的醋酸溶液中溶解纯胶原蛋白，配制成5mg/ml的胶原蛋白溶液。分别以edc(碳化二亚胺)和nhs(n-羟基琥珀酰亚胺)为交联剂和催化剂加入到上述胶原蛋白溶液中，其中edc(碳化二亚胺)与胶原蛋白的质量比为1：6，edc(碳化二亚胺)与nhs(n-羟基琥珀酰亚胺)的质量比为1：1，使得胶原蛋白分子内部发生化学交联。
48.(2)、将获得的胶原蛋白溶液浇铸到模具中并在28℃条件下风干成膜，最终形成胶原蛋白薄膜材料。
49.如图2所示，实施例1col-bcnws相比对比例1col相比，在相同的压力下，实施例1col-bcnws薄膜的形变明显小于对比例1的col薄膜的形变。
50.如图3所示，实施例1col-bcnws相比对比例1col相比，实施例1col-bcnws薄膜所能承受的最大压力明显大于对比例1的col薄膜所能承受的最大压力。
51.本实施例1所制得的细菌纤维素纳米晶增强胶原基复合膜材料的力学性能方面得到了改善。
52.实施例2
53.以胶原蛋白、细菌纤维素纳米晶等作为原料，制备一种细菌纤维素纳米晶增强胶原基材料。这种细菌纤维素纳米晶增强胶原基力学性能材料的制备步骤如下：
54.(1)、向烧杯中加入40ml细菌纤维素悬浊液，将浓度为65％的浓硫酸分批次加入至悬浊液中，直至溶液颜色由不透明乳白色转变为澄清透明。酸解结束后加入两倍体积蒸馏水终止反应，之后进行离心操作；离心结束后去掉上层清液，将下层沉淀重悬后再次离心，重复上述操作三次，取下层沉淀透析至溶液呈中性即可得到细菌纤维素纳米晶溶液。
55.(2)、将步骤(1)获得的细菌纤维素纳米晶溶液在25℃条件下超声处理40min，超声频率为30khz，超声功率为230w，得到均一稳定的细菌纤维素纳米晶溶液。
56.(3)、配制7mg/ml的胶原蛋白溶液，将步骤(2)获得的均一稳定的细菌纤维素纳米晶溶液引入到胶原蛋白溶液体系中，并在20℃下，以300r/min的搅拌速度持续共混4h。分别以edc(碳化二亚胺)和nhs(n-羟基琥珀酰亚胺)为交联剂和催化剂，其中edc(碳化二亚胺)与胶原蛋白的质量比为1:7，edc(碳化二亚胺)与nhs(n-羟基琥珀酰亚胺)的质量比为1:1.5，使得细菌纤维素纳米晶分子与胶原蛋白分子发生化学交联。
57.(4)、将步骤(3)中获得的细菌纤维素纳米晶-胶原溶液浇铸到模具中，于-80℃条件下预冻24h，在2pa条件下冷冻干燥48h，最终形成细菌纤维素纳米晶增强胶原基复合支架材料。
58.对比例2
59.(1)、在0.5mol/l的醋酸溶液中溶解纯胶原蛋白，配制成7mg/ml的胶原蛋白溶液。分别以edc(碳化二亚胺)和nhs(n-羟基琥珀酰亚胺)为交联剂和催化剂加入到上述胶原蛋白溶液中，其中edc(碳化二亚胺)与胶原蛋白的质量比为1：7，edc(碳化二亚胺)与nhs(n-羟基琥珀酰亚胺)的质量比为1：1.5，使得胶原蛋白分子内部发生化学交联。
60.(2)、最后将获得的胶原蛋白溶液浇铸到模具中，于-80℃条件下预冻24h,在2pa条件下冷冻干燥48h,最终形成胶原蛋白支架材料。
61.如图4所示，实施例1col-bcnws相比对比例1col相比，在相同的压力下，实施例1col-bcnws薄膜的形变明显小于对比例1col薄膜的形变。
62.如图5所示，实施例1col-bcnws相比对比例1col相比，实施例1col-bcnws薄膜所能承受的最大压力明显大于对比例1col薄膜所能承受的最大压力。
63.本实施例2所制得的细菌纤维素纳米晶增强胶原基复合膜材料的力学性能方面得到了改善。
64.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

技术特征：
1.一种细菌纤维素纳米晶增强胶原基材料的制备方法，包括：(1)、将细菌纤维素悬浊液，通过酸解、离心、重悬、透析等操作，得到改性的细菌纤维素纳米晶溶液；(2)、在超声条件下，将步骤(1)获得的细菌纤维素纳米晶溶液超声处理，得到均一且稳定的细菌纤维素纳米晶溶液；(3)、在醋酸中溶解牛跟腱i型胶原，配制胶原蛋白溶液，将步骤(2)获得的稳定的细菌纤维素纳米晶溶液引入到胶原蛋白溶液体系中，以edc(碳化二亚胺)和nhs(n-羟基琥珀酰亚胺)作为交联剂和催化剂，交联反应后得到细菌纤维素纳米晶-胶原复合体；(4)、将步骤(3)中获得的细菌纤维素纳米晶-胶原复合体浇铸到模具中，制得细菌纤维素纳米晶增强胶原基材料。2.根据权利要求1所述的一种细菌纤维素纳米晶增强胶原基材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)所述细菌纤维素纳米晶溶液中，细菌纤维素纳米晶的质量分数为0.1％-2％。3.根据权利要求1所述的一种细菌纤维素纳米晶增强胶原基材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中配制细菌纤维素纳米晶溶液的条件如下：向烧杯中加入30-50ml细菌纤维素悬浊液，将浓硫酸分批次加入至悬浊液中，直至溶液颜色由不透明乳白色转变为澄清透明；制备过程中所用到的浓硫酸的浓度为50％-65％。4.根据权利要求1所述的一种细菌纤维素纳米晶增强胶原基材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中所述的经超声处理的均一稳定的细菌纤维素纳米晶溶液的条件如下：在20℃-30℃温度条件下超声处理30-60min；超声频率为30-40khz，超声功率为220w-240w。5.根据权利要求1中所述的一种细菌纤维素纳米晶增强胶原基材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中所述的胶原蛋白溶液中，胶原蛋白的质量浓度为5mg/ml-7mg/ml。6.根据权利要求1中所述的一种细菌纤维素纳米晶增强胶原基材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中胶原蛋白与细菌纤维素纳米晶的质量比为100：1-100:20。7.根据权利要求1所述的一种细菌纤维素纳米晶增强胶原基材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中edc(碳化二亚胺)与胶原蛋白的质量比为1:6-7，edc(碳化二亚胺)与nhs(n-羟基琥珀酰亚胺)的质量比为1:1-1.5。8.根据权利要求1中所述的一种细菌纤维素纳米晶增强胶原基材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中细菌纤维素纳米晶溶液与胶原蛋白体系共混的条件如下：温度为20℃-30℃，搅拌速度为150-400r/min，搅拌时间为4-6h。

技术总结
一种细菌纤维素纳米晶增强胶原基材料及其制备方法，包括以下步骤：(1)配制细菌纤维素纳米晶溶液；(2)将步骤(1)得到的纳米晶溶液经超声处理得到均一稳定的细菌纤维素纳米晶溶液；(3)配制胶原蛋白溶液，将步骤(2)得到的细菌纤维素纳米晶溶液引入至胶原蛋白溶液体系中，分别以EDC和NHS为交联剂和催化剂，使得细菌纤维素纳米晶分子与胶原分子交联，最终形成机械性能提升的胶原基材料。本发明获得的材料具有良好的生物相容性，能够针对性的运用于一些临床疾病的治疗。些临床疾病的治疗。些临床疾病的治疗。


技术研发人员：刘杨 高闻语
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/10/15