陳丹丹，陳袁曦，張雅琴，周曉東（華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室，上海 200237）

細(xì)菌纖維素/肝素復(fù)合物的制備與力學(xué)性能*

陳丹丹，陳袁曦，張雅琴，周曉東
（華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室，上海 200237）

采用浸泡和交聯(lián)法將肝素（Hep）固定在細(xì)菌纖維素（BC）上，研究了BC/Hep復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能。傅立葉變換紅外光譜結(jié)果表明，BC結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了Hep的特征吸收峰；掃描電子顯微鏡和X射線衍射顯示，浸泡或交聯(lián)后，在Hep的作用下，BC的結(jié)構(gòu)變得緊密，結(jié)晶度下降，晶粒尺寸增大，其中交聯(lián)法制備的復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶性能變化更為明顯。拉伸性能實驗表明，與純BC相比，浸泡和交聯(lián)制備的BC/Hep復(fù)合物力學(xué)性能增強(qiáng)，交聯(lián)法制備的復(fù)合物力學(xué)性能優(yōu)于浸泡法，Hep溶液濃度為1.5 g/100 mL時其拉伸強(qiáng)度最大，可達(dá)到177.82 MPa，與純BC相比提高了76.3%。

細(xì)菌纖維素；肝素；復(fù)合物；微觀結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能

細(xì)菌纖維素（BC）是由微生物發(fā)酵產(chǎn)生的天然高聚物，和植物纖維具有相同的化學(xué)結(jié)構(gòu)［1］。BC具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，如高強(qiáng)度、高結(jié)晶度、高持水性、超細(xì)納米纖維網(wǎng)絡(luò)等，已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。另外，良好的生物相容性和生物可降解性，使得BC在相關(guān)生物醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)方面的應(yīng)用得到人們的廣泛關(guān)注［2］。BC在生物醫(yī)用材料中可作為人工皮膚、人工血管、組織工程支架［3-7］等，并且有著良好的應(yīng)用前景。BC雖有很多的生物學(xué)特性，但將其具體應(yīng)用于醫(yī)用材料時，與血液直接接觸，仍需要對其進(jìn)行一些表面改性，以使其具有更好的血液相容性和組織相容性。

肝素（Hep）是一種酸性粘多糖，在臨床上作為抗凝血藥物廣泛使用。肝素結(jié)構(gòu)中含有大量的磺酸基與羧基［8］，因而帶有很強(qiáng)的負(fù)電荷，可增加血細(xì)胞表面和血管壁的負(fù)電荷，增強(qiáng)其相互間的排斥性，具有抗聚集作用［9］，以減少血栓的發(fā)生。將生物材料進(jìn)行Hep固定是提高其凝血性能最有效的方法［10］。

筆者采用浸泡和交聯(lián)兩種方法，制備BC/Hep復(fù)合物。BC和Hep復(fù)合，不僅保持纖維素材料的理化特性及納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，又能將Hep引入到材料結(jié)構(gòu)中，使復(fù)合材料同時擁有了兩者的優(yōu)點，因此BC/Hep復(fù)合物對于BC生物醫(yī)用材料的研究和應(yīng)用具有重大意義。生物醫(yī)用材料除了具有良好的生物相容性外，還需具備良好的力學(xué)性能，因此除了利用傅立葉變換紅外光譜（FTIR）、掃描電子顯微鏡（SEM）以及X射線衍射（XRD）對兩種方法制備的復(fù)合物進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析外，還對復(fù)合物的力學(xué)性能進(jìn)行研究。通過力學(xué)性能測試，分析BC/Hep復(fù)合物較優(yōu)的制備方法。

1　實驗部分

1.1主要原料

木醋桿菌：A.xylinum 1.1812，中科院微生物研究所；

酵母浸膏：生物純，上海天蓮化工科技有限公司；

葡萄糖、無水乙醇、氫氧化鈉：分析純，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；

2-嗎琳乙烷磺酸（MES，純度≥99%），N-羥基丁二酰亞胺（NHS，純度＞98%）和1-（3-二甲基氨基丙基）-3-乙基碳二亞胺（EDC，分析純）：合肥博美生物科技有限公司；

Hep：北京億泰科華生物技術(shù)有限公司。

1.2主要儀器與設(shè)備

FTIR儀：Thermo Nicolet 5700型，美國Nicolet公司；

SEM：S-4800型，日本Hitachi公司；

XRD儀：D/max 2550V型，日本理學(xué)公司；

動態(tài)機(jī)械熱分析儀：DMAQ800型，美國TA公司。

1.3BC膜的制備

將酵母浸膏、葡萄糖、無水乙醇加入去離子水中，三者的濃度分別為1.5 g/100 mL，7 g/ 100 mL，1 mL/100 mL，利用1 mol/L氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值為6.8，高溫滅菌，然后接種木醋桿菌，之后于30℃恒溫培養(yǎng)10 d后取出BC膜，經(jīng)0.1 mol/L氫氧化鈉溶液提純處理后，用去離子水沖洗至其表面呈中性。將BC膜置入去離子水中，于冰箱4℃下保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4BC/Hep復(fù)合物的制備

（1）浸泡法制備BC/Hep復(fù)合物。

在100 mL去離子水中分別加入0.1 g，0.5 g，1.0 g和1.5 g Hep，溶解后得到Hep溶液，將BC濕膜放入不同濃度的Hep溶液中，室溫下攪拌1 h，去離子水沖洗24 h，烘干。以Hep溶液的濃度表示Hep的用量，分別為0.1 g/100 mL，0.5 g/ 100 mL，1.0 g/100 mL，1.5 g/100 mL。

（2）交聯(lián)法制備BC/Hep復(fù)合物。

在MES緩沖液中加入交聯(lián)劑EDC和NHS，再加入Hep溶液（Hep溶液濃度同上）和BC濕膜，室溫下攪拌1 h。Na2HPO4溶液清洗2次終止反應(yīng)，1 mol/L的NaCl溶液和去離子水分別沖洗24 h，烘干。

1.5測試與表征

（1） FTIR測試。

采用KBr壓片制樣，對復(fù)合干膜進(jìn)行FTIR分析。

（2） SEM觀察。

將BC和BC/Hep復(fù)合物冷凍干燥24 h，真空噴金，在SEM下觀察斷面形貌并拍照。

（3） XRD測試。

Cu靶，管流100 mA，40 kV高壓，掃描范圍為2θ=3o～50o，由式（1）計算結(jié)晶度。

式中：I200——2θ=22o的最大衍射強(qiáng)度；

Iam——2θ=18o的最大衍射強(qiáng)度。

晶粒尺寸可通過Scherrer公式（式2）計算得出。

式中：K——Scherrer常數(shù)，取值0.89；

λ——X射線的波長；

B——實測樣品衍射峰的半高寬度；

θ——衍射角。

在計算過程中，B和θ需轉(zhuǎn)化為弧度制。

（4）力學(xué)性能測試。

拉伸試樣為80℃下烘干的干膜，所有試樣均在30℃，60%相對濕度的條件下放置24 h，消除環(huán)境因素的影響。試樣的長度為30 mm，寬度為3 mm，用測厚儀測出每個試樣的厚度，按照式（3）計算拉伸強(qiáng)度。測量時的夾持長度為15 mm，負(fù)荷提升的速度為1 N/min，每組實驗至少測量10個試樣，求其平均值以及標(biāo)準(zhǔn)偏差。

式中：σt——拉伸強(qiáng)度；

Ft——拉伸最大載荷；

b——試樣原始寬度；

d——試樣原始厚度。

2　結(jié)果與討論

2.1FTIR分析

圖1為純BC和不同方法制備的BC/Hep復(fù)合物的FTIR譜圖。由圖1可知，3 430 cm-1處出現(xiàn)—OH的伸縮振動，2 900 cm-1處為—CH2—的伸縮振動吸收峰，1 160～1 060 cm-1和898 cm-1是糖苷鍵C—O—C的特征吸收峰，與BC的結(jié)構(gòu)基本吻合，證明浸泡交聯(lián)不改變復(fù)合物的基本骨架。BC/Hep復(fù)合物在1 230 cm-1處出現(xiàn)了Hep的特征吸收峰［11］，為S=O的不對稱伸縮振動峰。同時，3 430 cm-1處—OH的特征吸收峰高明顯增加，而Hep中含有大量的—OH，說明Hep成功復(fù)合在純BC上。

圖1　純BC和不同方法制備的BC/Hep復(fù)合物的FTIR譜圖

2.2SEM分析

圖2為純BC和不同方法制備的BC/Hep復(fù)合物的SEM照片。從圖2a中可觀察到純BC中的納米纖維和層狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由纖維交錯而成，單根纖維表面光滑無附著物，纖維間的空隙較大。圖2b顯示，BC/Hep復(fù)合物微纖間團(tuán)聚大量Hep，纖維結(jié)構(gòu)緊密，層狀結(jié)構(gòu)消失。交聯(lián)后，過量Hep填充到BC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)孔中，填補(bǔ)缺陷，形成更致密的結(jié)構(gòu)。

圖2　純BC和不同方法制備的BC/Hep復(fù)合物的SEM照片

2.3結(jié)晶性能分析

圖3為純BC和不同方法制備的BC/Hep復(fù)合物的XRD圖。由圖3可以看出，復(fù)合物和純BC譜圖基本一致，依然呈現(xiàn)典型的纖維素I型的晶體特征。計算3種材料的結(jié)晶指數(shù)和晶粒尺寸，結(jié)果見表1。

圖3　純BC和不同方法制備的BC/Hep復(fù)合物的XRD圖

表1　不同材料的面間距、晶粒大小以及結(jié)晶度

和純BC相比，BC/Hep復(fù)合物（110）面的布拉格角較小，面間距較大，β晶型含量低［12］，結(jié)晶尺寸增大，結(jié)晶指數(shù)明顯降低，表明Hep干擾了BC膜在干燥過程中的結(jié)晶。一方面，Hep包覆于BC微纖表面，阻礙了BC分子的相互接近，影響干燥過程中的結(jié)晶；另一方面，Hep的極性含氧基團(tuán)可與BC上的羥基形成氫鍵，降低纖維素分子內(nèi)和分子間的氫鍵作用，從而降低復(fù)合物的結(jié)晶度。交聯(lián)后，纖維素微纖表面包覆的Hep量增多，干擾作用增強(qiáng)，交聯(lián)復(fù)合物的結(jié)晶尺寸增大，結(jié)晶度進(jìn)一步降低。

2.4力學(xué)性能分析

圖4為不同方法制備的BC/Hep復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度。

圖4　不同方法制備的BC/Hep復(fù)合物的拉伸強(qiáng)度

純BC膜的拉伸強(qiáng)度為100.87 MPa，由圖4可知，浸泡與交聯(lián)制備的復(fù)合物力學(xué)性能均優(yōu)于純BC，且拉伸強(qiáng)度隨著溶液Hep濃度的增加而增大。浸泡和交聯(lián)制備的BC/Hep復(fù)合物拉伸強(qiáng)度最高可達(dá)到165.02 MPa和177.82 MPa，與純BC膜相比，分別增加了63.6%和76.3%。Hep進(jìn)入BC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，纖維素結(jié)構(gòu)更加緊密，力學(xué)性能提高。交聯(lián)劑的加入使Hep與BC間的作用力由氫鍵轉(zhuǎn)變?yōu)楦永喂痰幕瘜W(xué)鍵，復(fù)合物結(jié)構(gòu)更加緊密，力學(xué)性能進(jìn)一步提高，SEM照片亦證實了這一點。

3　結(jié)論

（1）采用浸泡法和EDC/NHS化學(xué)交聯(lián)法可制備BC/Hep復(fù)合物。FTIR結(jié)果表明，復(fù)合物中出現(xiàn)了Hep的特征吸收峰。SEM和XRD結(jié)果顯示，加入Hep后BC的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)更加緊密，結(jié)晶度下降，晶粒尺寸增大，其中交聯(lián)法制備的復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶性能變化更為明顯。

（2）浸泡和交聯(lián)法制備的復(fù)合物拉伸強(qiáng)度均有較大提高。交聯(lián)法制備的BC/Hep復(fù)合物力學(xué)性能優(yōu)于浸泡法，相比于純BC，拉伸強(qiáng)度最大提高了76.3%。

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Preparation and Mechanical Properties of Bacterial Cellulose/Heparin Composites

Chen Dandan， Chen Yuanxi， Zhang Yaqin， Zhou Xiaodong
（State Key Laboratory of Chemical Engineering， East China Universtiy of Science and Technology， Shanghai 200237， China）

Heparin was immobilized within bacterial cellulose by immersing and crosslinking to produce bacterial cellulose/ heparin composites. The structure and mechanical properties of the composites were also studied. FTIR results show that the characteristic peaks of heparin present in the structure of bacterial cellulose，SEM and XRD reveal that after immersing or crosslinking，under the effect of heparin，the microstructure of bacterial cellulose becomes more dense and has lower crystallinity and bigger crystalline sizes，the structure and crystallinity of the composite prepared by crosslinking method have more obvious changes. Tensile property test shows that immersing and crosslinking all can improve the mechanical properties of bacterial cellulose/heparin composites，and the improving effect of crosslinking method is better than that of immersing method. When the concentration of heparin solution is 1.5 g/100 mL，the tensile strength of crosslinked composite comes up to the maximum value 177.82 MPa，increases by 76.3% than that of the pure bacterial cellulose.

bacterial cellulose；heparin；composite；microstructure；mechanical property

TQ321.2

A

1001-3539（2016）08-0018-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.08.004

*中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項基金項目

聯(lián)系人：周曉東，教授，主要從事聚合物基復(fù)合材料制備及成型技術(shù)、聚合物材料的界面和嵌段共聚物的組裝行為及相關(guān)功能材料的研究

2016-05-10