一种抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料及一步法制备该敷料的方法

1.本发明涉及生物医学材料技术领域，具体涉及一种抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料及其制备方法。


背景技术：

2.木质素是一种芳香型高分子聚合物，具有高含碳量、高热稳定性、抗菌活性、抗氧化性和低细胞毒性，在生物医学领域是一种很有前途的天然原料，可以用作抑菌辅料。
3.聚氨酯泡沫敷料柔性好，透湿性好，细胞毒性低，可作为药物载体，能够吸收大量渗出液，对氧气和二氧化碳几乎完全通透。然而，聚氨酯的制备主要依靠石化产品，利用天然的木质素代替石油资源是一种制备环保型医用聚氨酯材料的可行方法。
4.金属抗菌敷料在生物医学领域被广泛研究，其中，银纳米颗粒(ag nps)具有广谱抗菌性，能够有效地杀死细菌、真菌和病毒。关于纳米银复合敷料的种类较多，但大多存在不稳定性、杀菌效果好但毒性高等问题。
5.目前，纳米银/木质素聚氨酯敷料要采用简单的制备方式，并实现不添加化学有机物的同时降低银含量，相对比较困难，且银含量较高，约0.1％～1％，成本较高。如中国专利(公告号：cn107312315b)公开了一种木质素/银复合抗菌剂，并公开该抗菌剂在聚氨酯中的应用。该方案利用碱木质素中的引入的羧酸负电官能团吸附银离子，酚羟基等还原性官能团将银离子还原成银纳米粒子，先得到木质素/银复合抗菌剂，再将其添加到聚氨酯中。这种方法不仅相对比较复杂，且抗菌剂的添加量相对较多，重量占聚氨酯的0.5％-3％。


技术实现要素：

6.本发明的发明目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供不添加化学有机物的同时减少银离子含量，降低生产成本，又能保证杀菌效果的抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料。
7.本发明的上述目的通过如下技术方案实现：一种抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料，木质素均匀地分布在聚氨酯中，纳米银均匀地负载在木质素聚氨酯表面，纳米银的负载量为0.001％-0.01％。
8.作为优选，所述的纳米银为球状颗粒，直径为10nm-80nm。
9.本发明的第二个目的在于提供一种一步法制备上述抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料的方法，包括：木质素多元醇、发泡剂、二异氰酸酯在催化剂的作用下，搅拌发泡熟化一步制得。
10.本发明通过木质素多元醇与异氰酸酯反应生成氨基甲酸酯键，同时加入发泡剂，木质素结构中保留的酚羟基作为还原剂，在边凝胶边产生气体的过程中将银离子原位还原为纳米银，得到了负载纳米银的木质素聚氨酯材料。
11.作为优选，按重量份数计，木质素多元醇15-30份，催化剂0.15-0.3份，发泡剂
0.05-0.09份，二异氰酸酯10-20份。
12.作为优选，所述的木质素多元醇通过如下方法制得：将20-40重量份木质素、100重量份多元醇、3.0-6.0重量份浓硫酸进行液化反应，得到木质素多元醇，所述液化反应的温度为120-150℃，时间为0.5-2小时。木质素在液化过程中，催化剂与反应条件的改变会直接影响木质素多元醇的结构。反应程度不够，会导致木质素多元醇的羟基含量改变，影响后续聚氨酯的合成反应；但是若过度反应导致木质素出现交联结块的现象，形成不均匀的溶液，直接影响聚氨酯的合成失败。
13.进一步优选，所述的木质素包括碱木质素、木质素磺酸盐、酶解木质素、有机溶剂木质素、kraft木质素中的一种或几种。更进一步优选，所述的木质素为有机溶剂木质素。有机溶剂木质素相比其他，其分子量大小和分布适中，活性基团丰富，容易进行改性。
14.进一步优选，所述的多元醇包括聚乙二醇400、聚乙二醇600、聚四氢呋喃400、聚四氢呋喃600、乙二醇、丙二醇、丁二醇、丙三醇中的一种或几种。更进一步优选，所述的多元醇为聚乙二醇400和甘油的混合物，聚乙二醇400和甘油的质量比为4：1。有机溶剂木质素相比其他，聚乙二醇400与甘油的混合物不仅与有机溶剂木质素和异氰酸酯的反应活性较高，而且分子量适中，有利于制备高回弹的木质素基聚氨酯泡沫材料。
15.进一步优选，所述液化反应的温度为130-140℃，时间为0.8-1.2h。反应温度低则反应程度低，木质素结构中的羟基反应不完全；反应温度高则发生再凝结反应，多元醇中出现块状物。同样的，反应时间短则反应不完全，反应时间长则出现块状物。进一步优选，液化反应的温度为140℃，反应时间为1h。
16.作为优选，所述的发泡剂为含有0.1-8.0mol/l银离子的溶液。通过控制发泡剂的浓度，实现对聚氨酯敷料抗菌性能的调控。
17.作为优选，所述的发泡剂为硝酸银水溶液，乙酸银水溶液，硫酸银水溶液中的一种或几种。
18.作为优选，所述二异氰酸酯包括异佛尔酮二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、1,5-萘二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯中的一种或多种。
19.作为优选，所述催化剂包括二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡、吡啶、三乙胺、三亚乙基二胺、钛酸四丁酯中的一种或几种。进一步优选，所述的催化剂为二月桂酸二丁基锡。有机锡类催化剂有助于凝胶反应，不利于气体产生。当催化剂为二月桂酸二丁基锡时，能够使凝胶反应与气体产生速率达到平衡。发泡剂中的水与异氰酸酯的反应剧烈，产物聚脲在发泡早期提高了泡孔壁的强度，同时为二氧化碳生成的气泡稳定提供了有利条件。相反，叔胺类催化剂有利于气体产生，而不利于凝胶反应的催化。叔胺类催化剂，在反应过程中，气体的产生时间先于发生凝胶的时间，泡沫先长起来后因未凝胶而消退。
20.作为优选，抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料的制备方法具体为：取木质素多元醇、催化剂与发泡剂先搅拌混合，然后二异氰酸酯，经过搅拌、发泡、熟化得到所述抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料。
21.进一步优选，加入二异氰酸酯之前搅拌的速度为300-800r/min，更进一步优选为500-800r/min。进一步优选，加入二异氰酸酯后搅拌的速度为8000-13000r/min，更进一步优选为10000-12000r/min。加入二异氰酸酯前，搅拌速度不宜过高或者过低，低速搅拌不
匀，高速搅拌过热，导致后续反应受影响，反应速率不均衡。加入二异氰酸酯后，若搅拌速度较低，则组分分散不均匀，反应不充分，导致产生气体的速率较慢，结果产物发硬，结构呈现闭孔状态。
22.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
23.1.本发明的抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料在降低ag含量、降低成本的同时提升聚氨酯敷料的抗菌性能，使其在应用中可以缩短伤口愈合的时间，而且低含量的纳米银还能够降低其对人体正常细胞的毒性伤害，从而提高对人体的安全可靠性。
24.2.本发明抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料采用简单的一步法，将液化木质素与发泡剂混合，使其在聚氨酯合成过程中得到了纳米银。利用木质素结构中的酚羟基作为还原剂和封端剂，在不添加其他化学有机物的条件下，直接将银离子还原为纳米银颗粒。且原料的来源绿色环保，得到的敷料抗菌效果明显提升，在1小时内对大肠杆菌的抑菌率达18.3％-99.8％，4小时内对金黄色葡萄球菌的抑菌率达47.8％-100％。
附图说明
25.图1是本发明实施例1中抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料的透射电镜图。
26.图2是本发明实施例2中抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料的透射电镜图。
27.图3是本发明实施例2中抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料的透射电镜图。
28.图4是实施例1-4及对比例1中的抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料随时间变化对大肠杆菌的琼脂平板上的抗菌效果图。
29.图5是实施例1-4及对比例1中的抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料随时间变化对金黄色葡萄球菌的琼脂平板上的抗菌效果图。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。本领域技术人员在理解本发明的技术方案基础上进行修改或等同替换，而未脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围内。
31.实施例1
32.根据重量份数，分别称取30份酶解木质素、80重量份聚乙二醇400和20重量份甘油、4.5份98％硫酸置于三口烧瓶中，在氮气保护下机械搅拌并加热140℃反应1h，经过除水得到木质素多元醇，备用。
33.根据重量份数，取20份上述制备的木质素多元醇，0.2份二月桂酸二丁基锡，0.06份浓度为0.1mol/l的硝酸银水溶液作发泡剂，经过800r/min搅拌混合7min后，加入13.5份六亚甲基二异氰酸酯进行12000r/min搅拌混合60s，并迅速倒入模具中，在室温下静置发泡、熟化脱模，即得抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料(标记为敷料1)。
34.该实施例制得的纳米银/木质素聚氨酯敷料的透射电镜图如图1所示，对纳米银的形貌和大小进行表征，纳米银均匀地负载在木质素聚氨酯表面，纳米银的负载量占聚氨酯的0.002％，透射电镜里纳米银颗粒大小约为30nm。
35.该实施例制得的纳米银/木质素聚氨酯敷料(敷料1)对大肠杆菌的抑菌效果如图2
中敷料1所示，在1小时，2小时，4小时和8小时的抑菌率依次达到18.3％，51.6％，65.6％，96.2％。
36.该实施例制得的纳米银/木质素聚氨酯敷料(敷料1)对金黄色葡萄球菌的抑菌效果如图3中敷料1所示，在1小时，2小时，4小时和8小时的抑菌率依次达到27.3％，28.4％，47.8％，81.5％。
37.实施例2
38.与实施例1的区别仅在于，该实施例将0.1mol/l硝酸银水溶液替换为1mol/l硝酸银水溶液，得到抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料(标记为敷料2)，该实施例制得的纳米银/木质素聚氨酯敷料的透射电镜图如图2所示，纳米银的负载量占聚氨酯的0.01％。
39.将该实施例中制得的抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料(标记为敷料2)经与实施例1中相同的方法测试抗菌性能发现，对大肠杆菌的抑菌效果如图2中敷料2所示，敷料2在1小时，2小时，4小时和8小时对大肠杆菌的抑菌率依次达到98.6％，99.7％，100％，100％；对金黄色葡萄球菌的抑菌效果如图3中敷料2所示，在1小时，2小时，4小时和8小时的抑菌率依次达到1.8％，19.3％，72.5％，98.8％。
40.实施例3
41.与实施例1的区别仅在于，该实施例将0.1mol/l硝酸银水溶液替换为7.5mol/l硝酸银水溶液，得到抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料(标记为敷料3)，该实施例制得的纳米银/木质素聚氨酯敷料的透射电镜图如图3所示，纳米银的负载量占聚氨酯的0.09％。
42.将该实施例中制得的抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料(标记为敷料3)经与实施例1中相同的方法测试抗菌性能发现，该辅料3对大肠杆菌的抑菌效果如图2中敷料3所示，辅料3在1小时，2小时，4小时和8小时对大肠杆菌的抑菌率依次达到99.8％，100％，100％，100％；对金黄色葡萄球菌的抑菌效果如图3中敷料3所示，在1小时，2小时，4小时和8小时对金黄色葡萄球菌的抑菌率依次达到11.5％，45.1％，99.0％，100％。
43.实施例4
44.与实施例1的区别仅在于，该实施例将20份木质素多元醇替换为15份得到抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料(标记为敷料4)。
45.将该实施例中制得的抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料(标记为敷料4)经与实施例1中相同的方法测试抗菌性能发现，该辅料4对大肠杆菌的抑菌效果如图2中敷料4所示，辅料4在1小时，2小时，4小时和8小时对大肠杆菌的抑菌率依次达到32.5％，38.7％，59.3％，80.1％；对金黄色葡萄球菌的抑菌效果如图3中敷料4所示，在1小时，2小时，4小时和8小时对金黄色葡萄球菌的抑菌率依次达到13.8％，13.4％，16.7％，43.2％。
46.实施例5
47.与实施例1的区别仅在于，该实施例中的木质素多元醇通过如下方法制得：将30重量份酶解木质素、80重量份聚乙二醇400和20重量份甘油、5.0重量份浓硫酸在130下反应1.5h。木质素在液化过程中，催化剂与反应条件的改变会直接影响木质素多元醇的结构。反应程度不够，会导致木质素多元醇的羟基含量改变，得到的纳米银含量减少，抗菌效果减弱；过度反应导致木质素出现交联结块的现象，形成不均匀的溶液，直接影响聚氨酯的合成失败，力学性能减弱。该实施例中敷料最终的力学性能和抗菌性能相比实施例1均少许降低。
48.实施例6
49.与实施例1的区别仅在于，该实施例将20份木质素多元醇替换成30份木质素多元醇。木质素多元醇的含量增加，反应物中的羟基含量增加，反应中氰酸根与羟基的混合比例减小，导致发泡的反应速度减慢，泡孔的结构不均匀且尺寸趋于减小，因此该实施例中敷料的抗菌性能不如实施例1中的敷料。
50.实施例7
51.与实施例1的区别仅在于，该实施例将13.5份六亚甲基二异氰酸酯替换成20份。聚氨酯反应过程中，异氰酸根与羟基的混合比例增大，反应产生过高的交联密度，聚氨酯链之间的内应力增强，导致聚氨酯泡沫出现收缩的现象，因此该实施例中敷料的力学性能不如实施例1中的敷料。
52.实施例8
53.与实施例1的区别仅在于，该实施例将二月桂酸二丁基锡替换为三亚乙基二胺。锡类催化剂能够使凝胶反应与气体产生速率达到平衡，相反，叔胺类催化剂对异氰酸酯与水的催化效率更大，这打破了凝胶反应与气体产生速率之间的平衡；该材料的结构受损，无法形成均匀的泡孔结构，纳米银的负载不均匀，该实施例中敷料的抗菌性能不如实施例1中的稳定。
54.实施例9
55.与实施例1的区别仅在于，该实施例将加入二异氰酸酯后12000r/min混合60s替换为6000r/min混合30s。在短时间和低转速的条件下，由于反应物仍处于粘稠的状态，难以分散均匀导致其局部过热，部分反应开始并且凝结成固体，一段时间后，另一部分反应才开始进行。所制备的泡沫材料颜色深浅不均匀，泡孔的结构和大小不统一，并且仍然存在一部分未反应的粘稠液体。因此该实施例中敷料的性能不如实施例1中的敷料。
56.实施例10
57.与实施例1的区别仅在于，该实施例将0.06份0.1mol/l硝酸银溶液替换为0.1份0.1mol/l硝酸银溶液作为发泡剂。等浓度的硝酸银溶液体积增大，一方面，银离子的量直接影响了聚氨酯材料中负载的纳米银含量，使其增大；另一方面，水的含量决定了它与异氰酸酯生成聚脲的反应程度，因此，当水的添加量增多时，反应过程中会产生更多的二氧化碳气体，从而导致聚氨酯材料的泡孔尺寸有所增大，泡孔尺寸增大后反而导致材料的结构变脆，该实施例中敷料的力学性能受损，不如实施例1中敷料的力学性能。
58.对比例1
59.与实施例1的区别仅在于，该对比例1将硝酸银水溶液替换为丙酮。水作为化学发泡剂参与了聚氨酯的反应，反应过程中产物聚脲在发泡早期提高了泡孔壁的强度，同时为气泡的稳定提供了有利条件。相比之下，丙酮作为物理发泡剂，不参与化学反应，当反应温度低于其沸点时，凝胶速度相对较快，并且大于气体生成的速度。因此，泡孔内的气体不能冲挤破泡孔壁，从而形成以闭孔为主的泡沫塑料。
60.将实施例1-4(分别为敷料1-4)及对比例1(附图中的对照组)中的抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料随时间变化对大肠杆菌及对金黄色葡萄球菌的抗菌效果分别如图4和图5所示。
61.从图4、5中可得，本发明抗菌纳米银/木质素聚氨酯敷料对大肠杆菌及对金黄色葡
萄球菌的抗菌效果都有较好的提升。且本发明敷料采用简单的一步法，将液化木质素与发泡剂混合，使其在聚氨酯合成过程中得到了纳米银，且在降低ag含量的同时提升聚氨酯敷料的抗菌性能，使其在应用中可以缩短伤口愈合的时间，而且低含量的纳米银还能够降低其对人体正常细胞的毒性伤害，从而提高对人体的安全可靠性。
62.以上为本发明所述的具体实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。