再生纳米纤维素（精选8篇）
再生纳米纤维素 篇1
在口腔骨缺损修复中, 软组织中成纤维细胞的生长速率高于骨细胞, 容易长入骨缺损区域内将缺损部位填充, 从而阻碍新生骨组织的生长和愈合[1,2]。为避免骨的生长过程受到干扰, 需要采用骨引导再生术 (Guided bone regeneration, GBR) [3], 即在软组织与骨缺损区之间覆盖一层膜来确保骨缺损的修复, 这种起到机械屏蔽作用的膜就被称为骨引导再生膜[4]。临床上使用的骨引导再生膜种类很多, 如不可吸收的聚四氟乙烯、钛合金等[5,6], 以及可吸收的聚乳酸 (PLA) 、聚羟基乙酸 (PGA) 及其共聚物 (PLGA) 、聚己内酯 (PCL) 等[7,8], 其中PCL具有优良的生物相容性、降解无毒性和力学性能[9], 特别是静电纺丝法制备的PCL纳米纤维膜纤维尺寸小, 纤维错综排列形成的三维网状结构很好地模拟了细胞外基质, 作为骨引导再生膜在临床上广泛应用[10]。
然而, 随着口腔临床需求的日益增加, 要求骨引导再生膜具有多种功能, 如在骨引导再生手术过程中会造成人为的软组织伤口, 要求其具有阻止软组织长入骨缺损区的同时, 还具有48h内消炎镇痛以及加快术后伤口愈合的作用[11]。此外, 骨引导膜还必须能够作为骨组织再生的支架, 引导成骨细胞的粘附、迁移和生长, 实现引导骨再生的目的, 但是现有的单层PCL纳米纤维膜已不能满足这种多功能要求[12]。
为了使骨引导再生膜同时具有阻隔、药物缓释及诱导骨生长的功能, 本研究设计了一种多层复合骨引导再生微纳米纤维膜, 由3层不同组分和功能的微纳米纤维膜组成。其中上层为载阿莫西林胶原微纳米纤维膜, 与软组织接触, 可以起到加速伤口愈合的作用;中层为PCL微纳米纤维膜, 利用PCL纳米纤维膜的疏水性, 将上下两层膜隔开, 阻止上下两层膜中物质的相互扩散, 提高上下层膜各自的定向作用;下层为胶原/PCL/nHA复合微纳米纤维膜, 靠近骨缺损区, 引导骨细胞的粘附、迁移和生长。采用多次静电纺丝法制备了多层复合骨引导再生微纳米纤维膜, 并研究各层膜的微观形貌、释药性能、疏水特性和体外降解性能等, 为获得综合性能良好的骨引导再生膜提供理论依据。
1 实验
1.1 多层复合骨引导再生微纳米纤维膜的制备
采用胶原 (医用级, Mw=80000~100000, 四川铭让生物科技有限公司) 和聚己内酯 (医用级, Mw=84000, 长春圣博玛生物材料有限公司) 为可纺聚合物, 六氟异丙醇 (Hexafluoroisopropanol, HFIP, AR, 成都艾科达化学试剂有限公司) 为溶剂, 阿莫西林 (哈药集团制药总厂) 为负载药物, 纳米羟基磷灰石 (Hydroxyapatite, nHA, 平均粒径20nm, 医用级, 南京埃普瑞纳米材料有限公司) 为骨诱导颗粒。多层复合骨引导再生微纳米纤维膜分为上中下3层, 其多层结构如图1所示。
将一定量的胶原溶入HFIP中, 搅拌4h并静置0.5h后得到质量分数分别为2%、3.5%和5%的胶原溶液, 然后在胶原溶液中添加阿莫西林, 搅拌2h并静置0.5h后得到载药浓度为2mg/mL的上层纺丝液;将一定量的PCL溶于HFIP中, 搅拌4h并静置0.5h后得到PCL质量分数分别为2%、4%和6%的中层纺丝液;将nHA加入HFIP中超声波分散0.5h得到nHA悬浊液, 然后将质量比为1∶1的PCL和胶原溶于nHA悬浊液, 搅拌4h并静置0.5h后得到下层纺丝液。将纺丝液注入KH-08型静电纺丝机的微量泵中进行静电纺丝, 纺丝顺序依次为下层、中层和上层, 纺丝工艺参数如表1所示, 纺丝完成后将所得纤维膜置于干燥箱中于40℃干燥24h, 即得到多层复合骨引导再生微纳米纤维膜。为了便于研究多层复合骨引导再生微纳米纤维膜中各层膜的微观结构和性能, 实验采用相同工艺单独制备了上层膜、中层膜和下层膜。
1.2 样品的表征及性能测试
采用XRD-7000型X射线衍射仪 (XRD, SHIMADZU, Japan) 表征微纳米纤维膜的相组成;用JSM-6700F型扫描电镜 (SEM, JEOL, Japan) 表征各层微纳米纤维膜的表面形貌, 结合图像处理软件计算出纤维的直径和分布, 每组选取50根纤维进行测量并取平均值。上层膜释药性能测试:将载药胶原微纳米纤维膜浸入8mL磷酸盐缓冲液 (pH=7.4) 中, 密封并37℃水浴, 然后分别在水浴后的不同时间段取出4mL溶液, 采用V-570型紫外可见分光光度计测量吸光度, 并绘制其波长-吸光度曲线, 通过浓度-吸光度标准曲线计算药物的实际浓度, 从而获得药物的实际释放量, 每次取液后用磷酸盐缓冲液将原溶液添加至8mL。中层膜疏水性能测试:采用JC2000A型接触角/界面张力测量仪测定PCL微纳米纤维膜的水接触角, 水滴的体积为2μL, 每个样品测试5处取平均值。下层膜降解性能:将胶原/nHA复合微纳米纤维膜切割成2mm×2mm的样品, 称重后浸入10mL的磷酸盐缓冲溶液 (PBS) 中, 在37℃水浴环境中进行体外降解试验, 每隔2d对PBS模拟体液进行更换, 于第2d、5d、10d、15d、20d和25d取样, 去离子水清洗后烘干, 再对样品称重计算样品的失重率。
2 结果与讨论
2.1 多层复合骨引导再生微纳米纤维膜的微观形貌
图2为多层复合骨引导再生纤维膜的截面微观形貌。由图2可以看出, 多层纤维膜的厚度约为200μm, 其中上层膜约为60μm, 中层膜约为40μm, 下层膜约为100μm, 各层膜之间结合良好, 没有出现分层开裂等现象。
2.2 负载阿莫西林的胶原微纳米纤维膜
图3和图4分别为在胶原溶液中加入阿莫西林后通过静电纺丝所得载药胶原纳米纤维膜的微观形貌和直径分布图, 可以看出随着胶原质量分数由2%增加到5%, 纤维的直径逐渐增加, 这是因为胶原质量分数增加后提高了纺丝液粘度, 从而导致溶液粘性应力增大, 射流受到的电场拉伸力已不足以对抗增大的粘性力, 纤维的拉伸程度减小, 平均直径增加。此外, 纤维间存在许多超细的纤维网, 并随着胶原含量的增加而逐渐减小, 这可能是因为阿莫西林为极性分子, 纺丝液中加入阿莫西林后纺丝液的电导率增强, 纤维被拉得更细并伴随出现分叉现象, 这种超细纤维直径都在100nm以下, 使得整个纤维膜的直径分布范围比较宽 (图4) 。由图3还可以看出, 也有少量药物分布在胶原纤维膜的表面, 这是因为纤维在固化过程中少量药物和高分子发生相分离, 使得一部分药物分布在了纤维表面。
图5为微纳米纤维膜的XRD衍射图, 可以看出阿莫西林的衍射图谱 (图5 (c) ) 上的衍射峰较尖锐, 说明其为晶态结构, 而纯胶原纳米纤维膜的衍射图谱 (图5 (a) ) 上没有明显的衍射峰, 载药后的纤维膜的衍射图谱 (图5 (b) ) 和纯胶原纤维膜的很接近, 看不到明显衍射峰, 这可能是因为阿莫西林大都存在于纤维内部, 膜表面的阿莫西林含量较少, 同时在纺丝过程中HFIP的蒸发非常快, 纤维膜表面的阿莫西林析出时大都为非晶态的形式。
实验对载药胶原微纳米纤维膜的释药过程进行了测试, 图6是载药量为2mg/mL时不同胶原浓度纺丝液所得载药胶原微纳米纤维膜的释药曲线。由图6可以看出, 在释药过程前10min, 胶原质量分数为2%的微纳米纤维膜的释药率达62%, 随着胶原质量分数的增加, 药物的突释率减小, 质量分数为5%的微纳米纤维膜的释药率降至47%, 说明提高纺丝液中胶原的浓度有利于缓解药物初期的突释现象。对于抗菌性药物的释放而言, 一定量的突释是有利的, 因为最初高浓度的药物可以在细菌开始大量繁殖前就将其杀死, 这对于防止术后感染是有利的。由图6还可以看出, 胶原质量分数为2%的微纳米纤维膜在900min时药物就全部释放, 而质量分数为5%的纤维膜在1900min时, 药物才完全释放, 这是因为后期药物的释放是依靠药物从内部向外扩散和纤维自身的降解共同作用实现的, 由于扩散和降解速度相对稳定, 释放速度也变得平缓, 同时纤维的直径随纺丝液胶原浓度的增加而增大, 使样品的比表面积减小, 与PBS溶液接触面积越小, 纤维的降解越慢, 释放时间越长。
2.3 PCL微纳米纤维膜
图7 (a) - (c) 是采用PCL质量分数分别为2%、4%、6%的中层纺丝液经静电纺丝所得PCL微纳米纤维膜的微观形貌, 可以看出当PCL质量分数为2%和6%时, 纺丝过程都不能顺利进行, 而当PCL的质量分数为4%时, 纺丝液的可纺性较好, 所得纤维表面光滑, 弯曲交纵排列在一起, 形成三维网状结构。纤维的平均直径在150nm左右, 三维网状形成的多孔结构孔径小, 为200~300nm, 能够阻碍体液的进入并保证气体的交换。此外, PCL本身是一种疏水性材料, 将PCL制备成微纳米纤维膜后, 其无序排列形成的纤维膜可进一步对水滴的铺展起到限制作用, 使其疏水性更强, 水接触角达到115°, 结果如图8所示, 其作为三层复合微纳米纤维骨引导再生膜的中层膜材料, 可以很好地阻止上层和下层中物质的相互扩散, 使上层膜定向作用于软组织, 下层膜定向作用于骨缺损区, 充分发挥各自的功能。
2.4 胶原/PCL/nHA复合微纳米纤维膜
本研究在胶原/PCL微纳米纤维膜中引入nHA颗粒来增强其骨诱导性, 实验研究了不同nHA含量对胶原/PCL/nHA复合微纳米纤维膜微观形貌的影响, 如图9所示。
图9 (a) - (c) 依次为添加20%、30%和40%nHA的复合纤维膜的微观形貌, 其中当nHA的添加量为20%和30%时, 复合纳米纤维膜中nHA大都分布在纤维内部, 而当nHA的添加量为40%时, 大量的HA纳米粒子团聚分布在纤维表面。这是因为当nHA含量较小时, 电纺过程中聚合物被拉伸成丝的同时, 分散在纺丝液中的nHA留在纤维的内部形成复合纤维膜, 而当nHA的添加量过高时, nHA之间存在较强吸附作用会造成团聚, 在静电拉伸过程中难以依靠高分子的细化而进一步分散, 最终在纤维表面团聚形成竹节状结构。图10为胶原与PCL的比例为1∶1时加入不同含量nHA的胶原/PCL/nHA复合微纳米纤维膜的XRD图谱。由图10可以看出, 加入nHA在31.8°处出现了衍射峰, 通过与nHA的衍射图谱对比, 发现为HA的 (211) 晶面。当nHA的含量从20%增加到40%, 图谱上31.8°处的衍射峰不变, 但PCL的衍射峰强度降低, 当nHA的含量为40%时, 25.9°处出现强度较低的衍射峰, 对应于HA的 (002) 晶面, 进一步证明了复合纤维中纳米颗粒为nHA。
对胶原和PCL质量比为1∶1、nHA质量分数为30%的胶原/PCL/nHA复合微纳米纤维膜在PBS溶液中的降解性能进行了研究, 如图11所示。图11为样品在PBS模拟体液中失重率随时间的变化曲线, 在刚开始降解的5d内, 样品的失重率迅速增加, 这是因为复合纤维膜中的胶原降解很快, 当降解15d后, 样品的失重率达到了51.3%, 随后的降解过程中由于样品中仅剩余PCL, 其降解速率缓慢, 失重率变化幅度较小, 同时随着样品中胶原的降解, 纤维膜内nHA颗粒会与PBS模拟体液中的钙磷离子相互反应形成矿化物, 沉积到复合纤维膜上, 从而使得样品的失重率降低。
实验对降解15d后的胶原/PCL/nHA复合纳米纤维膜的微观形貌及矿化性能进行表征, 图12为其表面形貌, 可以发现纤维膜的表面均匀地沉积了矿化层, 基本覆盖了纤维膜的表面。这是因为样品在降解过程中, nHA颗粒成为早期矿化的成核点位, 逐渐引导和加快磷灰石矿化物在复合纤维膜上的沉积, 说明胶原/PCL/nHA复合纳米纤维膜具有较强的诱导成骨能力。为了进一步检测表面沉积物的成分, 对其表面相组成进行表征, 结果如图13所示。由图13可以看出, 与矿化前样品的XRD图谱相比, 矿化后除了HA (211) 主晶面的衍射峰明显增强外, 还增加了许多其他的衍射峰, 通过与HA标准图谱对比发现矿化物为HA。
3 结论
采用静电纺丝法制备出多层复合骨引导再生微纳米纤维膜, 其中上层载2mg/mL阿莫西林的胶原纳米纤维膜中药物分布均匀, 胶原质量分数为5%时10min的药物释放率为47%, 释药时间为1900min;中层PCL纳米纤维膜的孔尺寸在200~300nm, 疏水角为115°, 能够阻止上下两层膜间的成分扩散;下层胶原/PCL质量比为1∶1、nHA含量为30%的胶原/PCL/nHA复合微纳米纤维膜的降解速率适中, 并具有较好的矿化作用, 可以使骨引导再生膜同时具有阻隔、药物缓释及诱导骨生长功能。
摘要：为了使骨引导再生膜同时具有阻隔、药物缓释及诱导骨生长功能, 采用静电纺丝法制备了多层复合骨引导再生微纳米纤维膜, 依次为上层载药胶原微纳米纤维膜、中层PCL微纳米纤维膜和下层胶原/PCL/nHA复合微纳米纤维膜, 并对各层膜的微观形貌、相组成、释药性能、疏水特性和体外降解性能进行了研究。结果表明:通过静电纺丝可以获得具有多层结构的复合骨引导再生微纳米纤维膜, 其中上层膜中药物分布均匀, 胶原质量分数为5%时的释药时间为1900min;中层膜的孔尺寸在200300nm且具有较好的疏水性, 能够阻止上下两层膜间的成分扩散;胶原/PCL质量比为1∶1、nHA的含量为30%的下层膜成分均匀, 降解速率适中并具有较好的矿化作用。
关键词：多层微纳米纤维膜,骨引导再生,静电纺丝,药物释放,骨诱导作用
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再生纳米纤维素 篇2
聚丙烯腈纳米纤维毡上生长ZnSe纳米晶的结构及发光特性
通过静电纺丝制备聚丙烯腈(PAN)纳米纤维毡,采用水热法在二乙烯三胺和去离子水的混合溶剂中于180℃下制备ZnSe/聚丙烯腈纤维纳米毡复合材料.使用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、荧光光谱等分析方法对ZnSe/聚丙烯腈复合材料进行表征.结果表明,ZnSe/聚丙烯腈复合材料的形貌较复杂,既有直径10～100 nm,长度50～500 nm的纳米棒,也存在4～10 μm左右的ZnSe微米花.260 nm波长光激发下ZnSe/聚丙烯腈复合材料的发射光谱包括位于351 nm(3.55 eV)的弱近紫外激子峰和位于427 nm(2.91 eV)的宽谱带缺陷发光峰,二者相对于ZnSe晶体的.本征发射带468 nm均有明显的蓝移效应.
作 者：封燕 周正发 徐卫兵 何典 黄国庆 FENG Yan ZHOU Zheng-fa XU Wei-bing HE Dian HUANG Guo-qing 作者单位：合肥工业大学,高分子科学与工程系,安徽,合肥,230009 刊 名：发光学报 ISTIC PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCE 年，卷(期)： 28(5) 分类号：O482.31 关键词：ZnSe纳米晶 聚丙烯腈 静电纺丝 光致发光再生纳米纤维素 篇3
1 实验部分
1. 1 原料
聚乙烯醇( PVA1799,醇解度99mol% ,聚合度1700 ±50) ,山西三维集团股份有限公司; 微晶纤维素,柱层析,国药集团化学试剂有限公司; 浓硫酸,98% ,分析纯,昆山东南化工材料有限公司; 二甲基亚砜( DSMO) : 分析纯,天津市富宇精细化工有限公司; 多元醇类化合物TPOH,自制; 蒸馏水,自制。
1. 2 仪器与设备
同步热重分析仪( TGA) ,SDTQ - 600,美国TA公司; 电子万能试验机,UTM6000,深圳SUNS公司; 动静态激光光散射仪,CGS -3 型,德国ALV公司; 扫描电子显微镜( SEM) ,JSM- 6510 型,日本电子公司。
1. 3 样品的制备
NCC制备: 在装有搅拌器、 冷凝管的三口烧瓶中加入100 m L质量分数的64% 稀释浓硫酸和7 g微晶纤维素,在45 ℃ 水浴条件下搅拌反应1. 5 h。反应结束后,在搅拌下将产物倒入1000 m L去离子水中,待静置分层后倾倒出上层清液,剩余部分用5% 的氢氧化钠水溶液中和,然后经5 次离心分离、水洗涤得到糊状物,然后放了45 ℃ 的真空烘箱中干燥,得到纳米纤维素,经粉碎机粉碎后得到纳米纤维素粉末。
PVA / NCC复合材料的制备: 将自制多元醇与蒸馏水配制成复合改性剂,在加入一定量的NCC超声搅拌30 min后,再加入干燥的PVA粉末,溶胀48 h后,在160 ℃ 下通过熔融加工制备PVA/NCC纳米复合材料,其中NCC的含量占PVA质量的0% 、1% 、3% 、5% ,记为0、1、3、5。
1. 4 性能测试
( 1) TGA分析: 采用同步热分析仪测试PVA/NCC纳米复合材料的热稳定性。氮气气氛,升温速度为10 ℃ /min,测试温度范围为: 40 ~ 600 ℃ 。
( 2) 激光粒度分析测试: 采用动态激光光散射仪测试了制备的NCC在分散液中的粒度大小以及粒度分布。
( 3) 力学性能测试: 将PVA/NCC纳米复合材料制成4 mm宽哑铃型样条,采用电子万能试验机测试其力学性能。拉伸速度为100 mm/min,标距为: 50 mm。
( 4) 扫描电子显微镜测试( SEM) : 采用扫描电子显微镜( SEM) 进行观测并拍摄成像,观察NCC在PVA基体中的分散。
2 结果与讨论
2. 1 NCC的粒度表征
动态激光光散射表征: 称取二份0. 3 g NCC粉末分别加入到300 g水、300 g的二甲基亚砜( DSMO) 的500 m L的三口烧瓶中,制备二种分散体系,在超声条件下搅拌1 h,得到NCC分散的悬浮液,测试光散射。测试结果如图1,从图1 中可以看出,在水和DSMO二种介质下,得到的NCC粒子平均尺寸在90 nm左右,说明通过在酸性条件下水解微晶纤维素成功的制备了纳米尺度的纤维素晶须( NCC) 。
2. 2 热稳定性分析
图2 为NCC、PVA、PVA/NCC复合材料的受热分解TG、DTG曲线。从图2 可知: NCC的热稳定性好,温度在300 ℃ 以上才发生分解。PVA的热稳定性较差,在200 ℃ 以上就有降解,最大热分解温度为255 ℃ 。NCC与PVA复合材料在温度超过200 ℃ 也发生了热分解,但最大热分解温度为270 ℃ ,比纯的PVA提高了15 ℃ 。通过DTG也可以看出,加入NCC可以明显降低PVA的热分解速度。这说明NCC在一定程度可以提高PVA的热稳定性。这是由于: PVA的分解的第一阶段为,脱醋酸和水形成双键的过程,第二阶段了双键的裂解［6］。NCC是一种高度结晶化的纤维素,纤维素与PVA一样具有多羟基结构,NCC中的羟基与PVA侧链羟基间可产生氢键作用,抑制了PVA的羟基脱水分解,进而降低了PVA的热分解速度,提高了PVA的热稳定性。
2. 3 SEM扫描电镜照片
图3 是NCC、PVA、PVA/NCC的表面SEM照片。从图3中纯NCC的SEM可明显看出,通过酸水解微晶纤维素制备的NCC的结构成针棒状,直径为纳米级,具有较大的长径比,可作为聚合物复合材料的增强晶须。PVA材料的表面SEM照片看出,纯的PVA具有光滑、均匀的表面。当添加3% 后,NCC在PVA基体中呈白色颗粒状,且白色颗粒在PVA基体中分散均匀,没有明显的团聚。当掺量达到5% 时,白色颗粒的分散密度明显增加,且有团聚的现象。说明,PVA与NCC基体的相容性较好,NCC在PVA基体中具有较好的分散性,但随着NCC含量的增加,逐渐出现团聚的趋势,所以NCC含量不能超过5% 。
2. 4 PVA / NCC复合材料力学性能
图4 为PVA/NCC纳米复合材料的力学拉伸曲线。从图4中了看出: 纯PVA材料拉伸强度为36. 9 MPa,断裂伸长率为200% ,掺入NCC可以增加PVA的力学性能,且随着NCC含量的增加,纳米复合材料的拉伸强度逐渐增大。当NCC掺量为5% 时,PVA / NCC复合材料的拉伸强度为62. 9 MPa,比纯的PVA材料的拉伸强度增加了70. 5% 。观察断裂变形发现,加入NCC使得PVA的断裂伸长率变小,说明NCC降低了PVA复合材料的韧性,提高了复合材料的刚性。这是由于,NCC是一种强度极高的纤维状材料,根据复合材料体系的纤维增强理论,当纤维状的NCC在PVA基体中能较好的分散,可提高了基本材料的力学性能,由图3 可知,当NCC含量在5% 以下时,其在PVA基体中分散性好,所以可以增加PVA基体的抗拉强度。
3 结论
通过酸水解微晶纤维素制备了NCC,NCC在一定范围内在PVA基体中具有很好的分散性,且可以提高PVA的热稳定性和抗拉强度,降低断裂伸长率,当其含量为5% 时,抗拉强度可达62. 9 MPa,比纯的PVA提高了70. 5% 。
参考文献
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再生纳米纤维素 篇4
本研究主要介绍现今CNCs的化学制备法及CNCs与无机纳米材料复合方面的主要应用和研究进展。
1CNCs的化学制备法
1.1酸法制备CNCs
通过酸水解,纤维素中无规区和次晶区优先水解,而结晶区因其致密的结构有很好的耐酸性而基本保持其原有结 构, 进而分离得到CNCs。传统的酸解方法是用硫酸水解纤维素, Bondeson等[8]以微晶纤维素(MCC)为原料,在44℃的63.5% 硫酸中水解MCC大约2h可得到产率为30%,长度为200~ 400nm,宽度低于10nm的CNCs。硫酸会与纤维素表面的羟基发生反应,硫酸根的存在会增加CNCs在水中的分散性,但却会降低CNCs的热稳定性[9]。除用硫酸水解外,盐酸[10]、磷酸[11]、氢溴酸[12]、磺酸、甲酸或是它们的混酸水解纤维素也同样被报道过。用盐酸水解得到的CNCs在溶液中的分散性会降低,产生一定 的团聚,但是它的 热稳定性 比硫酸得 到的CNCs的热稳定性要好[10]。Yu等[13]提出了一种简易的以微晶纤维素为原料制备CNCs的方法,通过在水热反应,盐酸水解及氨水中和,可以得到结晶度为88.6%的CNCs,由于NH4+的存在,也可以得到稳定性很好的CNCs悬浮液。
1.2TEMPO氧化法制备CNCs
TEMPO氧化体系(2,2,6,6-四甲基哌啶、NaClO、NaBr) 可以选择性地把纤维素C6上的羟基氧化为羧基,TEMPO氧化结合机械辅助可以制备CNCs。
Hirota等[14,15]通过NaOH处理原料,TEMPO体系氧化 并经过机械处理,得到CNCs,研究显示TEMPO体系对纤维素的晶型 没有影响,通过TEMPO氧化可以 得到结晶 度为65%~95% 的CNCs。Benhamou等[16]以超声及 机械搅拌 辅助,TEMPO催化氧化制备CNCs,改变超声 时间和搅 拌时间等都会对制备的CNCs尺寸产生影响,超声时间越长,纤维素纳米纤维越短,氧化时间越长,CNCs的宽度会变小。
1.3过硫酸盐法制备CNCs
最近Leung等[17,18,19]发现纤维素原料在一定温度下,过硫酸盐水溶 液中搅拌 反应一定 时间可以 得到表面 羧基化的CNCs,其尺寸更加均匀、长径比更 高。可用的过 硫酸盐包 括过硫酸钠、过硫酸钾和过硫酸铵。与其他方法相比,该方法得到的CNCs尺寸平均长度为50~90nm,断面尺寸仅3~6nm, 得率可达28% ~36%,带有羧基 的CNCs在水中分 散性好。 可能因为过硫酸盐在加热情况下,会生成SO4·和HSO4自由基及H2O2,生成的自由基与H2O2会进入纤 维的无定 形区, 水解纤维素中的β-1,4-糖苷键,同时氧化纤维素表面C6羟基制备得到表面羧基化的CNCs[17]。
1.4酶解法制备纤维素纳米晶体
酶可以降解纤维素,通过控制酶的浓度、反应温度及酶活性持续时间等条件来控制酶解反应避免纤维素完全水解,使其更多的在无定形区进行,从而制备出CNCs。Filson等[20]通过利用内切葡聚糖 酶水解再 生浆制备 得到了CNCs,长度为100nm~3.5μm,得率最高可达38.45%。George等[21]通过酶水解搅拌处理细菌纤维素12h制备了长度为100~300nm,平均直径为10~15nm的棒状CNCs。De Campos等[22]通过纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶混合用酶解法水解乌拉草和甘蔗渣,超声处理得到了混有CNCs和纳米纤维的产物,结晶度最高可达75%。
2CNCs与无机纳米粒子的复合
2.1CNCs负载无机纳米粒子的方法
CNCs悬浮液具有很好 的多孔性,可促进纳 米粒子的 成核,阻止其发生团聚,使其可以用于制备贵金属或其合金纳米颗粒。常用的方法是通 过还原反 应,加入还原 剂 (如NaBH4等),制备负载有金属纳米颗粒的CNCs复合物。为了使金属粒子能更好地分布于CNCs表面,可以对CNCs表面或纳米粒子表面进行 处理,提高两者 间的静电 相互作用。Padalkar等[23]在CNCs悬浮液中加入阳离子表面活性剂,还原制备得到分散性更好的复合物,表面活性剂不仅可以作为金属粒子的稳 定剂,而且是金 属粒子吸 附于CNCs表面的载 体。 Benaissi等[24]通过由水 和超临界CO2组成的两 相体系,以CNCs为还原剂,制备得到了负载于CNCs上的Pt粒子,尺寸大约为21nm,其机理需做进一步的研究。Wu等[25,26]通过水热法以CNCs为还原剂制备CNCs/金属纳米复合物,结果显示金属纳米粒子可以 很好的分 散在CNCs中,这种水热 还原制备无机纳米粒子的方法避免了使用大量表面活性剂和还原剂对环境造成的危害,CNCs既是稳定剂又是还原剂。通过对CNCs改性提高其与金属离子间的相互作用,制备尺寸更加均匀的纳米复合材料是以后研究的主要趋势。
对于非金属纳米粒子,包括二氧化钛、氧化锌、碳酸钙、碳纳米管等,同样可以以CNCs作为模板,通过溶胶-凝胶[27]、层层自组装[28]、原子层沉积[29]等方法,或直接通过原位合成,把前驱体加入CNCs悬浮液中,辅以加热 搅拌、离心干燥 等手段,直接制备得到复合物[30,31,32,33]。Olivier等[28]通过把单壁碳纳米管(SWNT)加入CNCs悬浮液中,通过层层自组装法制备了CNCs/SWNT复合薄膜,研究显示SWNT可以吸附 在CNCs表面。除通过CNCs悬浮液中 负载外,还可以通 过先制备 得到纳米纤维素 气凝胶,以气凝胶 作为模板,负载纳米 粒子。 Kettunen等[34]通过TEMPO氧化,并经冷冻干燥得到纳米纤维素气凝胶,以纤维素 气凝胶作 为载体,通过化学 气相蒸汽 法,制备了TiO2/纳米纤维素纤维复合材料。
2.2CNCs负载无机纳米粒子用于抗菌材料
以纳米Ag制备的抗菌剂可以很好的扰乱细菌的代谢,对人体细胞没有危害而且在高温下能够长期稳定存在[35,36],通过CNCs负载Ag纳米粒子可以用于制备抗菌材料用于食品包装等领域。Drogat等[37]通过用高碘酸钠氧化CNCs表面羟基为醛基,以醛基还原Ag+制备得到CNCs/纳米Ag复合物, 其对大肠杆菌和金色葡萄球菌有很好的抑菌性,可以用于食 品包装。Liu等[38]以羧基化的CNCs/AgNPs(sliver nanoparticles)与水性聚氨酯(WPU,waterborne polyurethane)制备得到复合薄膜,得到的CNCs/AgNPs/WPU复合材料对大肠杆菌和金色葡萄球菌有很好的抑菌性。除用纳米Ag作为抗菌剂,用ZnO/CNCs复合抗菌 也同样被 报道过,Rai等[32]以溶胶-凝胶法制备了负载在CNCs上的纳米ZnO,制备的样品对阳性葡萄球菌的抗菌性要强于阴性沙门氏菌,且通过负载制 备得到的纳米ZnO比没通过CNCs负载的纳 米ZnO抗菌性要强。
2.3CNCs负载无机纳米粒子用于作为催化剂载体
近年来,以纤维素衍生物或其他生物高分 子作为催 化剂潜在高效、低成本、可降解的 负载基体 已被广泛 关注。CNCs负载无机纳米粒子也用于催化大量的还原反应,常用的无机 纳米粒子有:Pd[39,40]、Au[41,42]、Pt[24]、TiO2[43]等。Wu等[26]报道了一种以CNCs为稳定剂和还原剂制备纳米Pd的方法,并分别通过亚甲基蓝和对硝基苯酚的还原反应研究了复合物中Pd的催化性能,结果显示有CNCs负载的Pd比没有CNCs负载的Pd有更好的稳定性和催化活性。Wesarg等[43]通过原位合成法以细菌纤维素制备CNCs负载球形TiO2纳米粒子,控制加入TiO2的量,TiO2可以很好地分散在纳米纤维表面,而不发生团聚,通过紫外光下羟基自由基的含量研究了其催化 活性,随TiO2含量增加,羟基自由基含量增加。Lam等[44]把CNCs与阳离子型聚合物PDDA(聚二烯丙基二甲基氯化铵) 超声混合,在含有K2CO3的溶液中用NaBH4还原Au+制备纳米Au,表面带有正电荷的CNCs会促进Au在其表面的沉积,从而制备得到CNCs/Au/PDDA复合物,并以催化还原对硝基苯酚研究了其催化性能。
2.4CNCs负载无机纳米粒子用于酶的固定
纳米Au除可用于催化还能用于酶的固定。带有硫原子的小分子连结纳米Au,而小分子中又同时含有羧基,羧基可与蛋白质中 的胺基反 应,用于酶的 固定[45]。Mahmoud等[46]以CNCs为载体,以NaBH4为还原剂,还原HAuCl4制备得到了负载有纳米Au粒子的CNCs,通过硫辛 酸改性,以环糊精 糖基转移酶、乙醇氧化酶为例,研究显示这种材料可以用于酶的固定,保持其酶催化活性的同时,增加其在操作和储存时的稳定性。之后他们又 通过制备CNC/Fe3O4NPs(Fe3O4纳米粒子)/AuNPs(Au纳米粒子)复合物,研究了其固定木瓜蛋白酶的性质,结果显示每1克复合物可以固定186mg的木瓜蛋白酶,并且在4℃ 下保存35d依然能保 持之前催 化活性的95%[47]。
2.5CNCs负载无机纳米粒子的其他应用
CNCs与无机纳米粒子复 合可以作 为DNA电子传感 器中探针DNA的标记物[48]、光控疏水吸油材料[34],也可以制备机械性能良 好的有机-无机纳米 复合材料。 Wu等[49]通过TEMPO体系制备得到羧基化纤维素 纳米纤维(TOCNs),得到的TOCNs与片状蒙脱土(MTM)纳米颗粒复合制备得到的复合薄膜,研究显示 由于MTM可以很好 的分散到TOCNs中,并且由于MTM与TOCNs间大量的氢键和离子间相互作用,当MTM的含量为5%时,复合薄膜具有超高的抗张强度 (509MPa)、高杨氏模量(18GPa)、高断裂功(25.6MJ/m3),有很好的机械性能和隔氧性,作为新的无机有机纳米材料复合材料具有很好的应用前景。
3结语
纳米细菌纤维素的生物合成 篇5
细菌纤维素(Bacterial cellulose,或称微生物纤维素)是当今生物材料研究的热点之一[1,2,3]。由于其具有较高的结晶度、化学纯度、力学强度和吸附容量而越来越受到人们的重视,随着对纤维素的生物合成机制的深入了解和发酵技术的提高,结晶细菌纤维素的应用越来越广泛。目前,国外已成功地将其应用于食品、医药、化工、造纸、滤膜渗透膜和精纺等领域[4,5]。木醋杆菌在以椰子水为主要培养基质的培养液中静置培养,能形成优质的纤维凝胶[6]。近年来,冯玉红等[7]合成了低相对分子质量的细菌纤维素。
本实验采用木醋杆菌(A.xylinumHN001)[8],以海南椰子水为原料,辅以适量蔗糖和其它盐合成了三维纳米细菌纤维素(Nano bacterial cellulose,NBC),并研究了培养温度、培养时间和培养基初始pH值对纳米细菌纤维素分子的影响;采用凝胶过滤色谱仪测定了相对分子质量及其分布,并采用红外光谱仪和透射电镜分别测定了结构和形貌。
1 实验
1.1 主要试剂及仪器
木醋杆菌(A.xylinumHN001)在海南大学食品综合实验室保藏;椰子水(海南产);乙醇、正丁醇、氯仿、乙醚、苯酚、硫酸均为AR。
MF-2020型膜分离装置,南京工业大学膜科学技术研究所;UV-2450型紫外可见光光谱仪,日本岛津公司;美国Waters 515HPLC凝胶色谱仪(GFC),Waters717自动进样,Waters2410折光检测器,流动相为纯水;红外光谱仪(IR),德国BrukerT27型FTIR,KBr压片制样;日本JEM-1010型透射电镜(TEM),树脂包埋法制样。
1.2 实验步骤
以发酵椰子水(新鲜椰子水自然发酵4～7天)、硫酸铵0.3%﹑磷酸二氢钾0.1%﹑硫酸镁0.05%﹑蔗糖3%为原料配制成液体种培养基,培养基初始pH=4.2,高温(105℃)高压快速灭菌,培养一段时间后过滤取清液,依次除去蛋白质、脂肪、无机盐以及酸性多糖[9,10],收集中性多糖即为目的产物。所得产品采用GFC测定NBC的数均分子量及相对分子质量分布[11]。采用TEM观察形貌。纯化后的样品经冷冻干燥用IR检测其结构信息。
2 结果与讨论
2.1 培养基初始pH值对NBC相对分子质量的影响
在30℃时设置几种初始pH值不同的培养液体系,静态培养48h,得到的NBC溶液经除杂后进行GFC测试,得到的相对分子量及其分布见表1。
表1表明,随着培养基初始pH值的增大,NBC相对分子质量先增大后减少,但其相对分子质量分布指数变化不大,均在1.0附近。其原因是,A.xylinumHN001中纤维素合成酶的活性受到培养基pH值影响。
2.2 培养时间对NBC相对分子质量的影响
在30℃、培养基初始pH=4.2条件下分别设置不同时间静态培养NBC 24h、36h、48h、60h和72h,然后将所得NBC溶液经除杂后进行GFC测试,得到相对分子量及其分布(见表2)。
从表2中可以明显看出,随着培养时间的延长,NBC相对分子质量先增大后减小。其原因是,随着培养时间的延长,A.xylinumHN001分泌的细菌纤维素分子逐渐延长,当分子长度达到一定程度时,纤维素的溶解度会随着纤维素分子长度量的增加而降低,细菌纤维素就会逐渐从培养液中析出,从而导致溶液中测得的NBC相对分子质量降低。
2.3 培养方式对NBC相对分子质量的影响
在30℃、培养基初始pH=4.2条件下分别静态培养和动态培养48h,然后将所得NBC溶液经除杂后进行GFC测试,得到的相对分子量及其分布见表3。
从表3中可以明显看出,选用动态培养的NBC的相对分子质量明显低于静态培养的,而其相对分子质量分布指数高于静态培养的,说明较静态培养的NBC,动态培养的NBC的相对分子质量分布不均匀。其原因是,在动态培养过程中NBC分子受摇动易从A.xylinumHN001菌体上脱落,导致NBC的相对分子质量较小且分布指数较大。
2.4 NBC产率测定
在30℃、培养基初始pH=4.2条件下静态培养48h得到NBC溶液,经除杂后采用苯酚-硫酸法测定NBC的产率为1.2g/L。
2.5 IR测试
图1为纳米细菌纤维素的红外光谱图。由图1可知,纤维素多糖在3424cm-1处的宽峰是O-H伸缩振动吸收峰;2931cm-1处为糖类C-H伸缩振动吸收峰,这个区域的吸收峰是糖类的特征吸收峰;1411cm-1处是纤维素糖环中叔醇结构的吸收峰;1107cm-1和990cm-1处是多糖的β构型糖苷键的特征峰,也是β-D-吡喃葡萄糖苷的特征吸收区域,由此可以证实此化合物是纤维素。
2.6 形貌观测
将得到的NBC样品进行TEM测试,结果见图2。从图2中可以看出,NBC分子近似球形,与文献[7]报道的相符,直径约为100nm。
3 结论
NBC的相对分子质量可以通过培养时间、培养基初始pH值及培养方式进行适当控制,其中培养方式较培养时间和培养基初始pH值对NBC相对分子质量的影响大,静态培养的NBC的相对分子质量分布指数较稳定。经红外光谱测试证实NBC结构是纤维素。通过透射电镜观察,NBC分子近似球形,直径约为100nm。
参考文献
[1]Masanobu M,Takayasu T,Kazunobu M,et al.Synthetic medium for bacterial cellulose production by Acetobacter xylinumsubsp sucrofer mentans[J].Biosci Biotech Bio-chem,1996,60(4):575
[2]Takaaki N,Tohru K,Hisato Y,et al.Influence of broth ex-change ratio on bacterial cellulose production by repeat-bactch culture[J].Process Biochem,2002,38:41
[3]Naoki T,Mari T,Kunihiko W,et al.Degree of polymeriza-tion of cellulose from acetobacter xylinumBPR2001de-creased by cellulose produced by the strain[J].Biosci Bio-tech Biochem,1997,61(11):1862
[4]Mitsuro I,Masahiro M,Noriko H,et al.Utilization of D-xy-lse as carbon source for production of bacterial cellulose[J].Enzyme Microbial Techn,2002,31:986
[5]Rainer J,Luiz F.Production and application of microbial cellulose[J].Polym Degradation Stability,1998,59:101
[6]Budhiono A,Rosidi B,Taher H,et al.Kinetic aspects of bac-terial cellulose formation innata-de-cococulture system[J].Carbohydrate Polym,1999,40:137
[7]Feng Yuhong,Lin Qiang,Wang Xibin,et al.Biosynthesis of low relative molecular mass bacterial cellulose[J].Fine ChemIcals,2006,23(10):954
[8]Niu Cheng,Wu Zhouxin,Wang Xibin,et al.Research on the characteristics of acetobater xylinumHN001strain[J].J Hainan Normal University,2009,22(1):55
[9]Pei Chonghua,Lin Qiang,Sun Zhongliang,et al.Nanomicro-bial cellulose separated from fermentive solution[C]//Pro-ceedings of the Sixth International Conference on Measure-ment and Control of Granular Materials.Shengyang,2003:585
[10]Lin Qiang,Pei Chonghua,Feng Yuhong,et al.The charac-teristics of nano microbial cellulose[C]//Proceedings of the Sixth International Conference on Measurementand Control of Granular Materials.Shengyang,2003:588
再生纳米纤维素 篇6
1 实 验
1.1 材料与仪器
微晶纤维素,上海恒信化学试剂有限公司;硫酸(分析纯),天津市科密欧化学试剂开发中心。
101-2A型电热鼓风干燥箱,天津市泰斯特仪器有限公司;KQ-200VDE型三频数控超声波清洗器,昆山市超声仪器有限公司;scientz-ΙΙD超声波细胞粉碎机,宁波新芝生物科技股份有限公司;FD-1A-50冷冻干燥机,北京博医康实验仪器有限公司;Magna-IR560型傅里叶变换红外光谱仪,美国尼高力Nicolet仪器有限公司;D/max-RB型X射线粉末衍射仪,日本理学Rigaku仪器有限公司;H-7650型透射电子显微镜,日本日立Hitachi仪器有限公司。
1.2 NCW的制备
将一定质量浓度的硫酸溶液倒入装有一定质量微晶纤维素的烧杯中,在一定温度下水解,得到悬浮液,离心洗涤至pH值6～7,对产物进行超声波处理数分钟,得到稳定的NCW胶体,真空冷冻干燥后得到固体NCW。通过傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪、X射线衍射(XRD)仪、透射电子显微镜(TEM)对NCW进行性能表征。
1.3 Box-Behnken设计试验
在单因素试验的基础上,确定Box-Behnken设计的自变量,以NCW得率为响应值,响应面法进行NCW制备工艺条件的优化。
2 结果与讨论
2.1 单因素试验结果
2.1.1 水解时间对NCW得率的影响
硫酸浓度55%,反应温度50 ℃,研究水解时间对NCW得率的影响,实验结果见表1。从表1可知,水解时间2 h为最佳。
2.1.2 硫酸浓度对NCW得率的影响
反应温度50 ℃,水解时间2 h,研究硫酸浓度对NCW得率的影响,实验结果见表1。从表1可知,硫酸浓度55%为最佳。
2.1.3 反应温度对NCW得率的影响
硫酸浓度55%,水解时间2 h,研究反应温度对NCW得率的影响,实验结果见表1。从表1可知,反应温度50 ℃为最佳。
2.2 响应面法优化NCW制备工艺条件
2.2.1 响应面分析因素水平的选取
在单因素试验的基础上,选取水解时间(X1)、硫酸浓度(X2)、反应温度(X3) 3个因素进行Box-Behnken设计,利用Design-Expert 7.0.0软件进行数据拟合,以-1、0、1分别代表自变量的低、中、高水平,响应面分析因素与水平见表2。
2.2.2 响应面分析方案及结果
以X1、X2、X3为自变量,以NCW得率为响应值(Y),采用Box-Behnken设计,响应面分析方案及实验结果见表3。
对实验数据进行拟合回归,回归方程为:
对该模型进行方差分析,结果见表4。
注:**P值小于0.01为极显著;*P值小于0.05为显著。
从表4可知,NCW制备的模型回归极显著,一次项X1,交互项X1X2、X1X3、X2X3以及二次项X
从图1可知,试验真实值和理论预测值拟合良好。整体的回归方程的P值小于0.01,决定系数(R2)为0.9887,校正决定系数(Adj R2)为0.9742(见表4),响应变量高于0.80,证明此模型显著,可充分地反映各变量之间的关系[8]。
NCW最优制备工艺条件为水解时间2.25 h,硫酸浓度54.32%,反应温度49.40 ℃。考虑到实际操作的便利,将最佳工艺条件修正为水解时间2.25 h,硫酸浓度54%,反应温度50 ℃。在此工艺条件下,试验测得NCW得率为75.68%,与响应面法预测值74.18%相接近,所以响应面法试验设计准确。预测值与试验值之间的差异可能是由试验操作等误差因素引起的。影响因素及最优制备工艺条件与参考文献[9,10]稍有差别,主要是由优化制备工艺条件设定值、NCW干燥方法不同引起的得率计算差异等引起的。
根据拟合函数,每两个因素对NCW得率做出响应面。考虑到定性分析各因素NCW得率的关系,固定另外两个因素时,均做“0”处理,具体因素水平见表3,图2～图4直观地反应了各因素对响应值的影响。从图2～图4可知,各因素间均具有较强的交互作用。
2.3 性能表征
傅里叶变换红外(FTIR)光谱分析可知,NCW在3420 cm-1、2890 cm-1、1630 cm-1、1430 cm-1、1060 cm-1、899 cm-1处特征峰,与微晶纤维素特征峰值基本一致,说明NCW是纤维素类物质[11]。
X射线衍射(XRD)分析可知,NCW中2θ=14.8°, 16.3°和22.6°处的衍射峰分别对应纤维素Ⅰ型晶面的衍射峰[12]。
透射电子显微镜图分析如图5所示,NCW呈棒状,交织成网状。
3 结 论
响应面法优化NCW制备工艺条件,结果表明NCW最优制备工艺条件为水解时间2.25 h,硫酸浓度54.32%,反应温度49.40 ℃。考虑到实际操作的便利,将最佳工艺条件修正为水解时间2.25 h,硫酸浓度54%,反应温度50 ℃。在此工艺条件下,实际测得NCW得率为75.68%,与响应面法预测值74.18%相接近;模型的理论预测值与试验真实值的决定系数为98.87%,说明模型拟合有效;影响NCW得率的因素依次为水解时间>硫酸浓度>反应温度。傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪、X射线衍射(XRD)仪、透射电子显微镜(TEM)对NCW进行性能表征,结果表明NCW为纤维素Ⅰ型,呈棒状且形貌规整,交织成网状。
摘要：采用响应面法优化纳米纤维素晶须(NCW)制备工艺条件并利用傅里叶红外(FTIR)、X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对NCW进行性能表征。结果表明NCW最优制备工艺条件为水解时间2.25 h,硫酸浓度54%,反应温度50℃,NCW得率为75.68%,与理论预测值74.18%较吻合;模型的决定系数为98.87%,说明模型拟合有效;制备的NCW聚集态和形貌为纤维素Ⅰ型,呈棒状。
再生纳米纤维素 篇7
本研究选用1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([Amim]Cl)离子液体作溶剂,制备再生纤维素微球。制备方法主要包括乳化-固化法、反相悬浮法、喷雾干燥法和凝聚法,制备过程分为溶解、成球和固化3个阶段[5]。采用反相悬浮法制备再生纤维素微球,选取40~200μm微球用于蛋白质固定化,通过实验确定了最佳的工艺方案。
1 实验部分
1.1 原料
[Amim]Cl离子液体,自制;甘蔗渣(工业级),广西南宁糖业有限公司;司盘20、司盘60、司盘80、吐温80、吐温85、液体石蜡、导热油、甲基硅油、无水乙醇,均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司;大豆油、花生油,均为食品级,中粮集团有限公司;超纯水,市售。
1.2 仪器
集热式磁力加热搅拌器(DF-101S型),巩义市予华仪器责任有限公司;电子恒速搅拌机(JHS-1/60型),杭州仪表厂;台式高速冷冻离心机(H1850R型),湖南湘仪实验室仪器开发有限公司;傅里叶红外光谱仪(FT-IR,MAGNA-FT-IR550型),美国赛默飞世尔科技公司;激光粒度分析仪(Rise-2028型),济南润之科技有限公司;光学显微镜(DM750型),Leica公司;扫描电子显微镜(SEM,SUPRA55型),德国Carl Zeiss公司;X射线衍射仪(XRD,D/max-2500型),日本理学电机株式会社。
1.3 甘蔗渣纤维素的提取[6]
采用酸碱法从甘蔗渣中提取蔗渣纤维素。步骤:原料经水洗、抽提、干燥以除去表面的有机物及一些固体杂质,粉碎过筛备用。按甘蔗渣原料质量(g)∶5%HNO3溶液(mL)=1∶10加入,在常压下煮沸回流3h后,水洗至中性。取滤渣,加入与酸同体积1.6%NaOH溶液,常压煮沸并回流1.5h后,水洗至中性,60℃真空干燥至恒重。取滤渣按滤渣质量(g)∶酸性洗涤剂体积(mL)=3∶100,再加入0.5g无水亚硫酸钠于三口烧瓶中,最后滴入数滴萘烷,恒温搅拌并保持微沸1h,将滤渣洗涤至中性,60℃真空干燥至恒重,即制得甘蔗渣纤维素。
1.4 甘蔗渣纤维素溶液的制备
在80℃油浴下,将一定质量比的甘蔗渣纤维素加入到一定体积[Amim]Cl中,溶解完全,即可得到甘蔗渣纤维素/[Amim]Cl溶液[7,8,9,10,11]。
1.5 再生纤维素微球的制备[12,13]
在80℃油浴下,往500mL三口烧瓶中加入一定体积比油相、甘蔗渣纤维素溶液和适量的乳化剂,然后在一定的搅拌速度下分散、乳化。乳化一定时间后,停止加热并缓慢降温至50℃时,加入一定体积比的固化剂,使其固化成球。停止搅拌,将油水相分离,用超纯水洗涤数次,无水乙醇洗涤数次,最后浸泡在超纯水中,即制得再生纤维素微球。
2 结果与讨论
2.1 FT-IR分析
甘蔗渣纤维素(a)和再生纤维素微球(b)的FT-IR谱图见图1。从图可知,3343cm-1是—OH的伸缩振动峰,2899cm-1为C—H的伸缩振动峰,1643cm-1是水的伸缩峰,1369cm-1是—OH的弯曲振动峰,1060cm-1是O—C纤维素葡萄糖环骨架振动峰,898cm-1是无定形部分的纤维素葡萄糖环C—H面外非对称伸缩振动吸收峰。谱线a和谱线b的出峰位置基本相同,说明谱线a没有新物质特征峰,即经过离子液体的溶解与再生过程没有生成新的物质。但谱线a在1432cm-1出现—CH2特征吸收峰,而谱线b在此位置没有吸收峰,说明溶解过程中部分氢键被破坏,导致再生纤维素微球的聚合度下降。此外,谱线b的O—H伸缩振动峰移至3444cm-1处。
图1甘蔗渣纤维素(a)和再生纤维素微球(b)的FT-IR谱图
2.2 SEM和光学显微镜分析
甘蔗渣纤维素(a)和再生纤维素微球(b)的SEM图见图2。从图(a)可知,甘蔗渣纤维素表面结构致密、光滑,纤维排列整齐有序。从图(b)可知,经过酸碱法提取出来的再生纤维素微球断裂成更小的块体,表面疏松。
图2甘蔗渣纤维素(a)和再生纤维素微球(b)的SEM图
甘蔗渣可再生纤维素微球400倍(a)和1000倍(b)光学显微镜图见图3。从图可知,再生纤维素微球的球形度好,而且粒径大小较均一。
图3再生纤维素微球400倍(a)和1000倍(b)光学显微镜图
2.3 XRD分析
甘蔗渣纤维素(a)和再生纤维素微球(b)的XRD谱图见4。从图可知,谱线a在15.9和22.4°的位置为甘蔗渣天然纤维素Ⅰ特征峰,而谱线b在12.0和20.8°出现甘蔗渣纤维素Ⅱ晶型特征峰,通过XRD谱图分析间接证实制备过程中无化学变化,甘蔗渣纤维素仅由晶型Ⅰ转换成晶型Ⅱ。从图还可以看出甘蔗渣纤维素经[Amim]Cl溶解与再生后,再生纤维素微球的结晶度有所降低,通过MDI Jade 6.0计算出甘蔗渣纤维素和再生纤维素微球结晶度分别为54.58%和35.21%。
图4甘蔗渣纤维素(a)和再生纤维素微球(b)的XRD谱图
2.4 确定制备温度
王犇等[5]研究了甘蔗渣纤维素在[Amim]Cl离子液体中溶解温度与纤维素聚合度和强度的关系,发现反应温度的升高对聚合度的影响较大,随着温度的升高,再生纤维素的聚合度和强度均呈现下降趋势,此外温度过高导致纤维素降解过多,影响纤维素的收率。因此,本研究选择制备甘蔗渣再生纤维素微球的温度为80℃。
2.5 甘蔗渣纤维素用量对粒径的影响
在80℃油浴下,选取液体石蜡作为连续相,司盘80作为乳化剂,搅拌速度为600r/min,超纯水为固化剂,考察甘蔗渣纤维素用量对微球粒径的影响,见表1。从表1可知,随着甘蔗渣纤维素用量增大,甘蔗渣再生纤维素微球的粒径呈增大的趋势。同时,甘蔗渣纤维素用量增大或者减小,甘蔗渣纤维素溶液的黏度也会随着增大或者减小。采用甘蔗渣纤维素含量为4.0%(wt,质量分数,下同)时,制备甘蔗渣再生纤维素微球较为合适,40~200μm的粒径占全部粒径的64.8%。
2.6 连续相种类及用量对粒径的影响
在80℃油浴下,选取甘蔗渣纤维素用量为4.0%的甘蔗渣纤维素溶液,司盘80作为乳化剂,搅拌速度为600r/min,超纯水为固化剂,考察连续相的种类对甘蔗渣再生纤维素微球粒径的影响,见表2。从表2可知,连续相种类不同,制得的甘蔗渣再生纤维素微球的粒径也不同,采用液体石蜡作连续相所制得的甘蔗渣再生纤维素微球粒径,40~200μm的粒径占全部粒径的64.8%。
图2连续相种类对甘蔗渣再生纤维素微球粒径的影响
液体石蜡作连续相的用量对甘蔗渣再生纤维素微球粒径的影响见表3。从表3可知,甘蔗渣再生纤维素微球的粒径随着液体石蜡用量的增多而增大,但在液体石蜡用量达到200mL后,甘蔗渣再生纤维素微球的粒径分布并没有明显的上升趋势,考虑经济因素,选择液体石蜡的用量为200mL为宜。
2.7 乳化剂种类及用量对粒径的影响
在80℃油浴下,选取甘蔗渣纤维素用量为4.0%的甘蔗渣纤维素溶液,液体石蜡用量为200mL,搅拌速度定为600r/min,超纯水为固化剂,选用亲油性的司盘20、司盘60、司盘80、吐温80和吐温85作乳化剂,对甘蔗渣可再生纤维素微球粒径的影响,见表4。由表4可知,采用亲油性司盘80为乳化剂,所制得的甘蔗渣再生纤维素微球的粒径中,40~200μm的粒径占全部粒径的64.8%,故采用司盘80为乳化剂。
由表5可知,乳化剂的用量对纤维素微球的粒径有很大的影响,当乳化剂的用量增加时,纤维素微球的粒径有增大的趋势,但当乳化剂用量过量时,体系的黏度随之变大,使得液体粘连在一起而形成更多的不规则球形颗粒,甚至不能成球,故采用司盘80用量为6mL为宜。
2.8 搅拌速度对粒径的影响
在80℃油浴下,选取甘蔗渣纤维素用量为4.0%的甘蔗渣纤维素溶液,液体石蜡用量200mL,司盘80用量6mL,超纯水为固化剂。在制备过程中,搅拌速度能够促进反应体系中物料流动,使其更充分的接触,选择搅拌速度为600r/min为宜。搅拌速度对甘蔗渣再生纤维素微球粒径的影响见表6。
2.9 正交试验
甘蔗渣再生纤维素微球因素与水平正交试验表见表7。通过分析,确定最佳工艺:温度80℃,甘蔗渣纤维素用量为4.0%,6.0mL司盘80,200mL液体石蜡,600r/min搅拌速率。
3 结论
以廉价的甘蔗渣纤维素为原料,以[Amim]Cl为溶剂,采用反相悬浮法制得甘蔗渣再生纤维素微球,探索出一条绿色环保的制备纤维素微球的工艺路线。最佳制备工艺:温度80℃,甘蔗渣纤维素用量为4.0%,6.0mL司盘80,200mL液体石蜡,600r/min搅拌速率,制得乳白色、形貌为较规则球形、耐酸碱性的甘蔗渣再生纤维素微球,40~200μm的粒径占全部粒径的64.8%。制备过程无化学反应,纤维素由晶型Ⅰ变为晶型Ⅱ,结晶度由54.58%降到35.21%。
再生纳米纤维素 篇8
纤维素分子之间存在大量氢键,一般较难溶于普通溶剂[8],因此直接制备纤维素纳米纤维具有一定的难度。一般通过纤维素的衍生化或为纤维素选择合适的溶剂,利用电喷射技术制备纤维素纳米纤维。Liu等[9]以丙酮/水混合液为溶剂,对具有一定取代度的醋酸纤维素进行静电纺丝。然后,在氢氧化钾/乙醇中对醋酸纤维素纤维进行水解制得纤维素纳米纤维膜。Kulpinski等[10]用萃取的α-纤维素,以N-甲基吗啉-N- 氧化物(NMMO)为溶剂,采用干-湿静电纺丝法成功制得微/纳米纤维素纤维或颗粒。
为了解决细菌纤维素成型加工困难的难题,并为其应用创造条件。以期制得细菌纤维素纳米纤维,本研究以海南椰子水为主要培养体系,木醋杆菌为菌种,通过添加蔗糖,生物合成高结晶度的BC。分别采用添加离子溶剂[BMIM]Cl[11]和助纺剂聚乙烯醇(PVA)[12]考察该纤维素在电喷射技术下的纺丝性能,进而通过FT-IR、XRD和SEM对产物的性能进行了表征。
1实验部分
1.1试剂与仪器
木醋杆菌实验室自行筛选;海南新鲜椰子水(自然发酵3~5d);硫酸铵(AR)、硫酸镁(AR)、蔗糖(AR)、磷酸二氢钠(AR)、[BMIM]Cl离子溶剂、二甲基甲酰胺(DMF,AR)、三氟乙酸(TFA,AR)、三氟乙酸酐(TFAA,AR)、四氢呋喃(THF, 色谱纯)和PVA 1788,均购于Aladdin;无水乙醇(AR)、硫酸(AR)和氢氧化钠(AR),广州化学试剂厂。
智能生化培养箱(SPX-250),宁波海曙赛福实验仪器厂; 高速离心机(Universal 32R),日本Hitachi公司;凝胶色谱分析仪(GPC,Waters1515),美国Water公司;扫描电子显微镜(SEM,S-3000N),日本Hitachi公司;傅里叶红外光谱仪(FT- IR,Bruker T27型),德国Bruker公司;多晶X射线衍射仪(XRD,D8Advance),德国Bruker公司;高压直流电源,北京市机电研究院高压技术公司。
1.2实验方法
1.2.1 BC的制备与纯化
BC的制备采用本实验室方法[13]。发酵培养基的组分为: 蔗糖2~20g/L,硫酸铵2~5g/L,硫酸镁0.1~1g/L,磷酸二氢钾0.5~3g/L,经高温灭菌20min的自然发酵椰子水。
在发酵培养基中添加木醋杆菌发酵制备BC,发酵培养条件为:pH=4.0~4.1;30℃,静置培养大约3~4d,此时培养基基本完全消耗。取出BC凝胶,水流冲洗多次以去除表面残留物,然后在0.1mol/L的NaOH水溶液中80℃ 煮2次,每次2h,用蒸馏水反复冲洗至中性,此时膜呈乳白色。将膜用粉碎机粉碎,之后冷冻干燥2d,收集产品备用。
1.2.2电纺BC/离子溶剂制备微/纳米纤维素
选用离子溶剂[BMIM]Cl溶解BC,再辅助添加一定量的有机溶剂DMF,具体的添加方案如表1所示。将配制好的混合溶液静置消泡后,在环境温度25℃,相对湿度40%,20kV静电压、喷丝口距接收板距离为20cm、流速为0.4mL/h的参数条件下进行静电纺丝,得到电纺微/纳米纤维素。
1.2.3电纺BC/PVA复合溶胶制备微/纳米纤维素
依据文献[14]配制BC溶胶悬浮液。将冷冻干燥好的样品用粉碎机粉碎成60目再与质量分数为65%的浓硫酸溶液以1∶15的比例均匀混合,在超声频率功率40Hz下于60℃超声处理3h,得到乳白色悬浮液,然后将此悬浮液在8000r/min下高速离心至上清层呈水溶胶状,收集该溶胶体,得到纳米纤维素晶体胶体,放入透析袋中,以去离子水为透析液,透析至胶体的pH值达到6~7。配制1%(wt,质量分数,下同)纤维素溶胶悬浮液,然后通过冷冻干燥浓缩分别得到2%、5% 和10%的纤维素溶胶悬浮液,制得的溶胶状悬浮液与10% PVA按30∶70体积比进行混合溶解,得到的混合液进行超声处理获得BC/PVA复合溶胶。再按照1.2.2节方法进行静电纺丝。
1.2.4 BC和电纺产物的表征
BC通过添加一定量的TFA和一定量的TFAA衍生化后测其分子量,将BC衍生物溶于色谱纯的THF中,采用凝胶色谱测其分子量。色谱柱为聚苯乙烯凝胶柱,标样为聚苯乙烯, 柱温为45℃,流速为1mL/min,保留时间为15min。
采用溴化钾压片法,以傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)对BC和电纺微/纳米纤维素的结构官能团进行表征。以扫描电子显微镜(SEM)观察电纺微/纳米纤维素的表观形貌;采用X- 射线衍射仪对纤维素样品结晶度进行测试。测试条件:Cu靶,管压40kV,管流40mA,扫描范围为5~60°。其谱图按式(1)[15]计算结晶指数(Crystallinity Index,CI)。
式中,I020为最大衍射峰的强度;Iam为2θ=18°时样品中非结晶区衍射峰的强度。
2结果与讨论
2.1 BC的制备
在直径为15cm的圆形培养皿中倒入150mL的发酵培养基,然后用滴管把种子液(接种量为培养基体积分数为4.0%~8.0%)接入圆形培养皿,不断震荡摇匀,之后放入恒温培养箱在30℃恒温下静置培养3~4d后即得到淡黄色的凝胶膜,其实物见图1。纯化后经衍生化处理,以GPC测得其数均分子量Mn为335673;重均分子量Mw为347662;相对分子质量分布指数为1.04,说明采用生物法合成的纤维素相对分子质量分布较为集中。
图2为硫酸水解BC的XRD谱图,在14.7°、17.2°和23.3°处都有衍射峰,在23.3°处的衍射峰最强,说明其结构晶型为纤维素Ⅱ型[5]。按照公式(1)计算结晶指数为97%,高于一般纤维素。水解后的纤维素结晶度高,说明硫酸水解纤维素主要发生在BC中的无定型区。生物合成的BC在酸水解的作用下易制得纳米纤维素晶体,这对于纤维素的研究具有重要意义。
2.2电纺离子溶剂溶解的BC
由于BC较难溶解,固定M(BC)∶M([BMIM]Cl)=1∶24, 使混合液的总质量M=10g,按照表1设计了A、B和C三类离子溶剂溶解的BC混合液。通过静电纺丝装置制得的样品的扫描电镜图如图3所示。由于纤维素分子之间存在大量氢键,分子链刚性较强,未能形成有效的链缠结[8],故而在图3中看不到连续的纤维丝。静电纺丝后的样品除去少许的大颗粒,基本上是粒径在150~400nm之间的纳米纤维素小颗粒, 其中质量分数为3%的静电纺丝样品纤维素分子颗粒基本粘连在一起,并且颗粒的尺寸最大,可能的原因是电纺时有机溶剂DMF质量较少,在纺丝过程中BC和[BMIM]Cl完全聚集在一起,溶液的黏度升高,液滴聚集一块,分散不开。从样品外观形貌来看,其质量分数越小,静电纺丝产物粒径也越小。
[(a)W(BC)=1%;(b)W(BC)=2%;(c)W(BC)=3%]
图4为BC和离子溶剂[BMIM]Cl/BC纺丝产物的红外光谱图。由图可见,3350cm-1处为纯BC羟基的伸缩振动峰, 2897cm-1处为—CH2—的伸缩振动峰,1061cm-1处为C—O伸缩振动峰,1640cm-1处有一个强的吸收峰,它归属于醚的不对称伸缩,对比振动吸收峰,表明了BC中有醚类的特征, 900cm-1处有糖苷键伸缩振动峰,说明BC是由多糖苷键聚合而成。离子溶剂[BMIM]Cl/BC纺丝产物的红外谱图与纯BC对比可以发现,其在3336cm-1处有吸收峰说明纺丝产物中有羟基存在,在2800~3000cm-1处有3个伸缩振动峰表明了它还含有大量饱和C—H键,其余位置的吸收峰位和强弱与BC几乎相同,说明BC在溶解过程中没有发生衍生化反应。
图5中14.7°、16.8°和22.7°的3个衍射峰分别对应BC的(11-0)、(110)和(020)晶面。从图5可以看出,离子溶剂的溶解对BC衍射特征峰出峰位置有较大的影响,不仅改变其峰强度而且晶形也发生较大的改变同时结晶程度也有所改变。 采用公式(1)计算得出BC的结晶指数是87.15,而静电纺丝产物的结晶指数是50.35。计算结果说明纯BC具有高结晶度,由于离子液体破坏了BC中结晶区的聚合键,BC溶解再生后的结晶度下降较大,无定型区增多[11]。
2.3电纺BC/PVA混合溶胶
对BC、PVA及BC/PVA静电纺丝产物进行红外测试,其结果如图6所示。波数在3300~3400cm-1处为O—H之间的伸缩振动峰,2920cm-1处为—CH2—的伸缩振动峰,1061cm-1处为C—O伸缩振动峰,1162cm-1处为C—O—C的伸缩振动峰,900cm-1处为糖苷键的特征峰。由图可见,酸水解BC具有纤维素特征峰,说明酸水解后的BC仍具有纤维素的结构。 图6BC/PVA纺丝中出现了BC的特征峰,且其曲线与PVA基本一致,说明BC/PVA中BC成功的分散在PVA中。
图7为BC/PVA纺丝产物和PVA的XRD图。从图中可看出纯PVA在2θ为20°和40.6°处出现PVA结晶吸收峰,而BC/PVA共混纳米纤维在此吸收峰的强度有所减弱,说明加入BC后,BC分子上的羟基与PVA分子中的羟基产生氢键作用[12],从而导致了共混纤维结晶度的下降。在22.7°处BC/ PVA共混纳米纤维的吸收峰的强度有所加大,而这个峰是BC的结晶吸收峰,这主要是由于加入的BC和PVA是以物理混合方式结合在一起的。
[(a)W(BC)=2%;(b)W(BC)=5%;(c)W(BC)=10%]
在不同的BC含量下所制得的BC/PVA复合纳米纤维扫描电镜图如图8所示。由图可知,当助纺剂PVA的含量为10%,BC和PVA的体积比为30∶70时,所制得的BC/PVA混合溶胶均具有良好的可纺性,且制得的纤维较均一光滑,平均直径在250~400nm之间;图8经软件处理可知,当BC含量为2%、5%和10%时制得的复合纳米纤维在形貌上都是均一的, 但是相对纯PVA纤维的直径明显减小[12],平均直径分别为268、340和375nm。随着BC含量的增大,静电纺丝纤维的直径逐渐增加。由于BC的平均粒径在150~400nm之间,且BC不溶于PVA中,它以纳米颗粒的形态,在分子链氢键的作用下均匀地分散在PVA中。故而当BC浓度增大时,静电纺丝复合纤维的直径增大。随着BC浓度的增大,纺丝溶液的黏度升高,纤维的离散程度上升,纤维逐渐变得不规整,直径分布不均匀,甚至出现纤维黏连现象[如图8(c)所示]。综上所述: BC晶体可能是以核-壳结构形式分布在PVA纳米纤维中。
3结论
采用添加离子溶剂[BMIM]Cl和助纺剂PVA考察合成的细菌纤维素在电喷射技术下的纺丝性能。结果表明:电纺离子溶剂[BMIM]Cl溶解的BC只能得到粒径在150~400nm之间的颗粒,且BC质量分数越小,所得颗粒粒径也越小。当助纺剂PVA的含量为10%,BC和PVA的体积比为30∶70时,电纺BC/PVA混合溶胶可制得粒径均一且表面光滑的纤维。单一的BC不能纺丝,但是它可以以纳米晶体方式分散在PVA纳米纤维中。这对于纤维素物化性能的提高具有积极的促进作用。
摘要：以海南椰子水为主要培养体系,木醋杆菌为菌种,通过添加蔗糖,生物合成了细菌纤维素(BC)。通过添加离子溶剂[BMIM]Cl和助纺剂聚乙烯醇(PVA)考察该纤维素在电喷射技术下的纺丝性能,并采用FT-IR、XRD和SEM对产物的性能进行了表征。结果表明:所制得的BC数均分子量Mn为335673,重均分子量Mw为347662,硫酸水解后的结晶指数为97%。电纺离子溶剂[BMIM]Cl溶解的BC只能得到粒径在150~400nm之间的纳米纤维素颗粒,但是电纺BC/PVA混合溶胶可得到平均直径在250~400nm之间光滑复合纤维。单一的BC不能纺丝,但是它可以以纳米晶体方式分散在PVA纳米纤维中。