一种氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料及其制备方法

1.本发明涉及纺织材料技术领域，具体涉及一种氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.在环境问题受到的关注日益增多的今天，为减少甚至替代传统石油基复合材料，利用可再生资源开发多功能仿生纳米复合材料，逐渐成为研究热点。丝素蛋白来源于节肢动物如蜘蛛、家蚕和蜜蜂等，因其优异的理化性能及生物活性受到广泛研究。经美国食品和药物管理局(fda)批准，丝素蛋白可用于某些医疗产品。蚕丝主要由丝素蛋白和丝胶蛋白组成。其中，丝素蛋白位于蚕丝纤维的核心区域，由轻链和重链组成；而丝胶则包裹在丝素蛋白链上。蚕丝纤维含有约70％～75％的丝素蛋白和25％～30％的丝胶蛋白。通常，为了减少免疫排斥反应，在应用中经常脱胶以除去丝胶蛋白。丝素蛋白具有良好的理化性能及生物活性，如机械强度、生物相容性、无毒、生物降解性等。丝素蛋白与其他材料复合进行组织修复的研究逐年升高，显示出了较强的应用前景。然而纯丝素蛋白膜在干燥时硬而脆，易断裂，限制了其广泛应用。将天然增强纳米填料和抗菌纳米颗粒添加到生物聚合物中，可以开发具有改善机械性能，并具有抗菌活性的生物纳米复合材料。纳米银(silver nanoparticles，agnps)因其具有广谱抗菌性和高抗菌效率，已被广泛应用于生物医学和活性包装材料中。目前，合成纳米银的方法包括化学法、物理法和生物法等，其中，使用天然聚合物作为还原剂和稳定剂合成纳米银具有操作简单、生态友好、成本低廉且无毒等优点，正成为纳米银生产技术新的突破口。此目前有研究报道将蚕丝蛋白与细菌纤维素作为原料，将两者的功能性相结合制备性能优异的复合膜，报道中探讨的是交联剂的加入与否对纳米细菌纤维素/蚕丝蛋白复合物的理化性能的影响，结果表明加入交联剂组的膜表面比较平整，结构有明显改变，力学强度测试表明未加交联剂氧化细菌纤维素/蚕丝蛋白和加交联剂氧化细菌纤维素/蚕丝蛋白的断裂伸长率比较，后者力学性能优，两者具有显著性差异。通过添加交联剂所制得的复合膜的性能更好，并且在医用材料方面尤其在细胞化的血管支架方面的应用有一定的前景。因此，目前通过细菌纤维素和蚕丝蛋白制备的材料，均含有化学交联剂，化学交联剂存在必定会影响细菌纤维素和蚕丝蛋白复合材料的生物相容性能，对生物材料的安全性能造成隐患，影响材料的绿色环保安全性能。因此制备一种绿色环保安全性高，强度高的蚕丝蛋白氧化细菌纤维素膜显得尤为重要。本实验组曾经以再生丝素蛋白水溶液作为还原剂和稳定剂，并辅助紫外光照射合成了纳米银，以氧化细菌纤维素纳米纤维作为增强纳米材料，以聚乙烯醇作为塑化剂，通过溶液浇铸法制备了蚕丝蛋白氧化细菌纤维素纳米复合膜，但是制备过程中需要紫外照射还原纳米银粒子，其性能不稳定。


技术实现要素：

3.要解决的技术问题：本发明要解决的技术问题是提供氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料，将再生丝素蛋白，纳米银，氧化细菌纤维素纳米纤维进行复合，以聚乙烯醇作为塑化剂，通过溶液浇铸法制备了氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料。
4.技术方案：一种氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料，所述复合材料由丝素蛋白，纳米银，聚乙烯醇和氧化细菌纤维素混合而成。一种氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料的制备方法，所述的复合材料采用下述之一的方式进行制备：方式一、s1.再生丝蛋白水溶液的制备：将脱胶后丝素经氯化钙三元体系溶液溶解，并透析而成的再生丝蛋白水溶液；s2.载ag

氧化细菌纤维素的制备：将细菌纤维素进行预处理，得到细菌纤维素匀浆，然后在细菌纤维素匀浆中加入tempo/nabr/naclo的混合氧化体系，混合均匀后离心去除上清液，得到湿态tempo氧化细菌纤维素，将湿态的tempo氧化细菌纤维素加入至硝酸银溶液中，充分搅拌均匀，过滤后，得到载ag

氧化细菌纤维素；s3.载银氧化细菌纤维素的制备：将载ag

氧化细菌纤维素加入氨基改性聚乙烯醇溶液中，反应得到载银氧化细菌纤维素溶胶；s4.氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料的制备：将再生丝蛋白水溶液和聚乙烯醇溶液混合后，加入助溶剂，混合搅拌均匀后，在其中加入载银氧化细菌纤维素溶胶，处理得到混合溶液，最后采用溶液浇筑法，将混合溶液流延浇铸在平底器皿中，干燥形成纳米复合膜；或方式二、a.丝素蛋白/纳米银胶体溶液的制备；b.氧化细菌纤维素的制备：将细菌纤维素进行预处理，得到细菌纤维素匀浆，然后在细菌纤维素匀浆中加入tempo/nabr/naclo的混合氧化体系，混合均匀后离心去除上清液，得到湿态tempo氧化细菌纤维素；c.氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料的制备：将丝素蛋白/纳米银胶体溶液和聚乙烯醇溶液混合后，加入助溶剂，混合搅拌均匀后，加入湿态tempo氧化细菌纤维素溶液，在冰浴环境下，超声处理得到混合溶液，最后采用溶液浇筑法，将混合溶液流延浇铸在平底器皿中，干燥形成纳米复合材料；其中方式二中，丝素蛋白/纳米银胶体的制备采用下述之一的方法进行制备：方法a、将脱胶后丝素经氯化钙三元体系溶液溶解，并透析而成的再生丝素水溶液，再浓缩至浓度为2wt％，加入硝酸银，混合搅拌均匀得到丝素蛋白/硝酸银混合溶液，硝酸银和再生丝素蛋白水溶液的料液比为4mg∶1ml，然后将混合溶液紫外照射并配合搅拌，辐照强度为200-300w﹒hr/m2，波长为250-300nm，形成丝素蛋白/纳米银胶体溶液；或方法b、将脱胶后丝素经甲酸盐溶液溶解后，加入硝酸银，硝酸银和丝素的质量比为0.2-0.5∶1，然后采用去离子水透析，一边透析一边搅拌，并采用紫外线照射，形成丝素蛋白/纳米银胶体溶液。
优选的，所述步骤s1中再生丝素水溶液的浓度为2wt％。优选的，所述步骤s2中细菌纤维素匀浆的浓度为0.1-0.2wt％。优选的，所述步骤s2中细菌纤维素，tempo，溴化钠和次氯酸钠的质量比为0.2-0.3∶0.1-0.2∶0.65-0.85∶38.15-43.75。优选的，所述步骤s3中氨基改性聚乙烯醇溶液的浓度为0.5-10wt％，其中氨基改性聚乙烯醇溶液的制备方法为：c.将丁二酸酐和三乙胺加入至聚乙烯醇溶液中，反应后，得到经丁二酸酐改性的聚乙烯醇溶液；d.在改性聚乙烯醇溶液中加入edc和nhs，反应后加入端氨基超支化聚合物，反应得到氨基改性聚乙烯醇。优选的，所述丁二酸酐，三乙胺，聚乙烯醇，edc，nhs和端氨基超支化聚合物的质量比为5∶1∶40∶10∶5∶20。优选的，所述步骤s4中助溶剂为甘油，甘油的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的3-7.5wt％。优选的，所述步骤s4中氧化细菌纤维素的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的1-7wt％。有益效果：本发明的氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料及其制备方法具有以下优点：1、本发明通过tempo/naclo/nabr体系氧化细菌纤维素制备了氧化细菌纤维素，将其作为增强纳米材料，通过溶液浇铸法制备了氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料，本发明的制备方式一区别于方式二，本发明中不采用以再生丝素蛋白水溶液作为还原剂和稳定剂，紫外光照射合成了纳米银，本发明中直接创造性将银直接通过浸泡吸附的方式吸附在氧化细菌纤维素的表面，通过利用端氨基超支化聚合物可定位生成纳米银并将其捕捉到内部，而在聚乙烯醇接枝了端氨基超支化合物后，进一步氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料，提高复合材料的机械性能；2、本发明中将纳米银附着在氧化细菌纤维素表面采用氨基改性聚乙烯醇附着剂，而聚乙烯醇同时又作为塑化剂，提高氧化细菌纤维素在丝素蛋白基质中分散性能，附着剂和塑化剂均为聚乙烯醇，相容性高，且绿色环保；3、本发明的制备方法中的方式二采用两种不同的方法制备丝素蛋白/纳米银胶体溶液，其中一种方法为采用传统的三元溶液的方法制备丝素蛋白水溶液，和硝酸银混合生成丝素蛋白/纳米银胶体溶液，另外一种方法为采用甲酸盐的溶解体系，直接加入硝酸银进行透析，由于甲酸盐溶解体系中，丝素蛋白的分子量较大，透析过程中容易发生凝胶，因此一边透析，一边通过物理作用减轻凝胶现象，并加入高含量的硝酸银，防止在透析过程中硝酸银由于透析的作用浓度变小，无法参与紫外光照合成纳米银，该方法制备的丝素蛋白/纳米银胶体溶液中丝素蛋白的分子量更大，后期形成的材料的力学性能更佳；4、本发明制备的氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料可以阻挡99.99％的紫外光，具有较高的抗紫外效果；5、本发明制备的氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料和现有技术相比，同样具有较高的抗菌性；6、本发明所述制备方法简单、条件温和、性能稳定、不添加交联剂，适合量化生产，
非常适用于存储包装材料以及生物医用材料领域。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。实施例1氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：s1.丝素蛋白/纳米银胶体溶液的制备：在浓度为2wt％的再生丝素蛋白水溶液中加入硝酸银，硝酸银和再生丝素蛋白水溶液的料液比为4mg∶1ml，混合搅拌均匀得到丝素蛋白/硝酸银混合溶液，然后将在混合溶液辐照强度为300w﹒hr/m2，波长为250nm紫外照射并配合搅拌，形成丝素蛋白/纳米银胶体溶液；s2.氧化细菌纤维素的制备：将细菌纤维素进行预处理，得到浓度为0.1wt％的细菌纤维素匀浆，然后在细菌纤维素匀浆中加入tempo/nabr/naclo的混合氧化体系，其中，细菌纤维素，tempo，溴化钠和次氯酸钠的质量比为0.2∶0.1∶0.65∶40，混合均匀后离心去除上清液，得到湿态tempo氧化细菌纤维素；s3.氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料的制备：将丝素蛋白/纳米银胶体溶液和聚乙烯醇溶液混合后，加入甘油，甘油的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的6wt％，混合搅拌均匀后，在其中加入湿态tempo氧化细菌纤维素溶液，氧化细菌纤维素的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的5wt％，在冰浴环境下，超声处理得到混合溶液，最后采用溶液浇筑法，将混合溶液流延浇铸在平底器皿中，干燥形成纳米复合膜。实施例2氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：s1.丝素蛋白/纳米银胶体溶液的制备：将脱胶后丝素经甲酸氯化钙溶液溶解后，丝素，氯化钙的质量比为6∶1，加入硝酸银，硝酸银和丝素的质量比为0.2-0.5∶1，然后采用去离子水透析，一边透析一边搅拌，并采用紫外线照射，辐照强度为300w﹒hr/m2，波长为250nm，形成丝素蛋白/纳米银胶体溶液；s2.氧化细菌纤维素的制备：将细菌纤维素进行预处理，得到浓度为0.1wt％的细菌纤维素匀浆，然后在细菌纤维素匀浆中加入tempo/nabr/naclo的混合氧化体系，其中，细菌纤维素，tempo，溴化钠和次氯酸钠的质量比为0.2∶0.1∶0.65∶40，混合均匀后离心去除上清液，得到湿态tempo氧化细菌纤维素；s3.氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料的制备：将丝素蛋白/纳米银胶体溶液和聚乙烯醇溶液混合后，加入甘油，甘油的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的6wt％，混合搅拌均匀后，在其中加入湿态tempo氧化细菌纤维素溶液，氧化细菌纤维素的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的3wt％，在冰浴环境下，超声处理得到混合溶液，最后采用溶液浇筑法，将混合溶液流延浇铸在平底器皿中，干燥形成纳米复合膜。实施例3氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：s1.再生丝蛋白水溶液的制备：将脱胶后丝素经氯化钙三元体系溶液溶解，并透析而成的再生丝蛋白水溶液，将再生丝蛋白水溶的浓度浓缩至2wt％；
s2.载ag

氧化细菌纤维素的制备：将细菌纤维素进行预处理，得到浓度为0.1wt％细菌纤维素匀浆，然后在细菌纤维素匀浆中加入tempo/nabr/naclo的混合氧化体系，混合均匀后离心去除上清液，得到湿态tempo氧化细菌纤维素，其中，细菌纤维素，tempo，溴化钠和次氯酸钠的质量比为0.2∶0.1∶0.65∶43.75，将湿态的tempo氧化细菌纤维素加入至硝酸银溶液中，充分搅拌均匀，过滤后，得到载ag

氧化细菌纤维素；s3.载银氧化细菌纤维素的制备：将载ag

氧化细菌纤维素加入浓度为0.5wt％氨基改性聚乙烯醇溶液中，反应得到载银氧化细菌纤维素溶胶；s4.氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料的制备：将再生丝蛋白水溶液和聚乙烯醇溶液混合后，加入助溶剂，其中，中助溶剂为甘油，甘油的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的5wt％，混合搅拌均匀后，在其中加入载银氧化细菌纤维素溶胶，其中载银氧化细菌纤维素的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的0.5wt％，处理得到混合溶液，最后采用溶液浇筑法，将混合溶液流延浇铸在平底器皿中，干燥形成纳米复合膜；上述步骤s3中氨基改性聚乙烯醇溶液的制备方法为：e.将丁二酸酐和三乙胺加入至聚乙烯醇溶液中，反应后，得到经丁二酸酐改性的聚乙烯醇溶液；在改性聚乙烯醇溶液中加入edc和nhs，反应后加入端氨基超支化聚合物，反应得到氨基改性聚乙烯醇，其中，丁二酸酐，三乙胺，聚乙烯醇，edc，nhs和端氨基超支化聚合物的质量比为5∶1∶40∶10∶5∶20。实施例4氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：s1.再生丝蛋白水溶液的制备：将脱胶后丝素经氯化钙三元体系溶液溶解，并透析而成的再生丝蛋白水溶液，将再生丝蛋白水溶的浓度浓缩至2wt％；s2.载ag

氧化细菌纤维素的制备：将细菌纤维素进行预处理，得到浓度为0.2wt％细菌纤维素匀浆，然后在细菌纤维素匀浆中加入tempo/nabr/naclo的混合氧化体系，混合均匀后离心去除上清液，得到湿态tempo氧化细菌纤维素，其中，细菌纤维素，tempo，溴化钠和次氯酸钠的质量比为0.3∶0.2∶0.85∶38.15，将湿态的tempo氧化细菌纤维素加入至硝酸银溶液中，充分搅拌均匀，过滤后，得到载ag

氧化细菌纤维素；s3.载银氧化细菌纤维素的制备：将载ag

氧化细菌纤维素加入浓度为10wt％氨基改性聚乙烯醇溶液中，反应得到载银氧化细菌纤维素溶胶；s4.氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料的制备：将再生丝蛋白水溶液和聚乙烯醇溶液混合后，加入助溶剂，其中，中助溶剂为甘油，甘油的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的7.5wt％，混合搅拌均匀后，在其中加入载银氧化细菌纤维素溶胶，其中载银氧化细菌纤维素的质量为丝素蛋白和聚乙烯醇干重总和的5wt％，处理得到混合溶液，最后采用溶液浇筑法，将混合溶液流延浇铸在平底器皿中，干燥形成纳米复合膜；上述步骤s3中氨基改性聚乙烯醇溶液的制备方法为：f.将丁二酸酐和三乙胺加入至聚乙烯醇溶液中，反应后，得到经丁二酸酐改性的聚乙烯醇溶液；在改性聚乙烯醇溶液中加入edc和nhs，反应后加入端氨基超支化聚合物，反应得到氨基改性聚乙烯醇，其中，丁二酸酐，三乙胺，聚乙烯醇，edc，nhs和端氨基超支化聚合物
的质量比为5∶1∶40∶10∶5∶20。性能测试：力学性能测试：根据astm d882-02《塑料薄板材抗拉特性的试验方法》标准，在配备100n传感器的美国instron 5545型万能材料试验机上测定氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料机械性能，将复合膜剪成1cm
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5cm大小，试样夹持长度为2cm，拉伸速度为5mm/min，每个样品测5组数据，取平均值，获得复合膜的应力-应变曲线、断裂强度、拉伸模量、断裂伸长率等机械性能指标；水接触角和水蒸气透过率测试：通过测量水接触角和水蒸气透过率来评价复合膜的亲水性和水蒸气阻隔性能。使用德国公司dsa100型液滴形状分析仪，在室温下，采用静滴法观察复合膜与超纯水的润湿行为，使用10μl大小的水滴测试接触角。根据改进的astm e96/e96m-2014《材料的水蒸气渗透性的标准试验方法》标准，测试复合膜的水蒸气透过率；抑菌性能测试：将复合膜用紫外灯照射30min杀菌后，以大肠杆菌为革兰氏阴性菌代表，以玉米内州萎蔫病菌为革兰氏阳性菌代表，测试复合膜的抗菌性，将直径为0.7cm的测试圆片放在琼脂平板上，并放入37℃温箱，孵育24h，测量不同样品的抑菌圈大小。紫外线屏蔽效率测试：紫外光可见分光光度计测试溶液的吸光度，扫描范围为200-800nm，分辨率为2nm。从上表中可以看出，本发明制备的氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料在添加一定量的氧化细菌纤维素的情况下，复合膜的机械性能得到显著改善；氧化细菌纤维素不论以何种形态的方式加入至丝素蛋白溶液中，复合膜的机械性能均能一定程度的提高，实施例1中为采用三元溶液溶解丝素制备的丝蛋白水溶液，该方法得到的复合材料的力学性能略低于实施例2和实施例3-4中的方法，实施例2中采用甲酸盐的方法溶液丝素，该种方法溶解的丝素由于具有较长的分子量，在透析过程中容易发生凝胶，因此在透析时加入较高含量的硝酸银，加入较高含量的硝酸银的目的是，纺织硝酸银在透析过程中，通过透析袋流失，以至于在紫外光条件下发生反应生成的纳米银的含量减小，该种方法保证了纳米银的含量，同时较高分子量的丝素蛋白能够提高复合材料的力学性能，从上表中可以看出，采用实施例2中方式制备的膜的力学性能远高于实施例1；实施例3-4中采用的方法是为
了提高膜的杀菌效果，并提高膜的力学性能，本发明实施例3-4中的制备方法直接创造性将银直接通过浸泡吸附的方式吸附在氧化细菌纤维素的表面，通过利用端氨基超支化聚合物可定位生成纳米银并将其捕捉到内部，而在聚乙烯醇接枝了端氨基超支化合物后，进一步氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料，提高复合材料的机械性能，同时增强了纳米银在复合材料中的固定，提高抗菌效果。复合材料中含有氧化细菌纤维素时，相比丝素蛋白/聚乙烯醇复合膜而言，不同方法制备的复合膜材，完全能够满足包装和伤口敷料等材料的使用要求。最后从上表氧化细菌纤维素增强蚕丝蛋白抗菌纳米复合材料的防紫外性能，复合膜可以阻挡99.99％的uv-b(280-315nm)和99.99％的uv-a(315-400nm)。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。