基于細菌纖維素的高強生物質(zhì)長絲纖維的制備與表征

吳煥嶺, 郭 慶, 趙 杰, 孫萬超, 謝周良, 趙言收, 康正芳

(1.鹽城工學(xué)院 紡織服裝學(xué)院,江蘇 鹽城 224051; 2.徐州醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)影像學(xué)院,江蘇 徐州 221000;3.鹽城市權(quán)航科技有限公司,江蘇 鹽城 224056)

纖維材料幾乎涉及生活中的各個領(lǐng)域,起到不可或缺的作用,比如在醫(yī)用材料領(lǐng)域常將纖維制備成敷料、繃帶[1]或編織成手術(shù)縫合線[2]等。細菌纖維素(Bacterial cellulose,BC)由微生物生成,其分子鏈在合成過程中具有獨特的自組裝機制,能夠形成天然3D納米纖維交織結(jié)構(gòu)[3]。并且,它沒有半纖維素、果膠和灰分等伴生物,具有高結(jié)晶度、高機械強度和良好的生物相容性等特性[4],是一種可持續(xù)利用的生物質(zhì)資源。以細菌纖維素為基材的研究頗多,大多僅聚焦于對其原生膜材料的改性研究[5-6]。鑒于細菌纖維素良好的環(huán)境和生物相容性,可結(jié)合材料加工和紡織技術(shù)進一步拓展細菌纖維素在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

為了獲得一種兼具高機械性能和優(yōu)良生物相容性的長絲纖維材料,本研究采用細菌纖維素的改性技術(shù)和成型方法,先將細菌纖維素溶解成勻質(zhì)紡絲液,再借助紡絲技術(shù)再生制備出具有高機械強力性能的再生細菌纖維素(Regenerated bacterial cellulose,RBC)長絲纖維。這一加工過程的關(guān)鍵步驟在于使其得到一定程度的溶解和降解。由于纖維素材料的熔點溫度高于其降解溫度,不適合采用熔融紡絲工藝[7-8]進行纖維制備,而濕法紡絲較好地解決了這一難題,也是本研究中實現(xiàn)纖維成型的關(guān)鍵方法。在濕法紡絲工藝中,成型纖維的強力性能受很多因素的影響,如相對分子質(zhì)量、溶劑和紡絲工藝參數(shù)等。然而,由于細菌纖維素結(jié)晶區(qū)內(nèi)強烈的分子內(nèi)和分子間氫鍵的作用,使其具有高聚合度和高結(jié)晶度的特征,導(dǎo)致較難溶解,可選用的溶劑較少,如N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)、離子液體[9]、DMAc/LiCl體系[10]、NaOH/urea solution[11]和氯化鋅[12]等,這一特征限制了細菌纖維素的進一步應(yīng)用。另外,在細菌纖維素的溶解過程中不可避免地破壞纖維素原纖結(jié)構(gòu),導(dǎo)致大分子鏈發(fā)生不同程度的斷裂和降解。因此,不同溶劑、不同的溶解時間對再生纖維的機械性能會產(chǎn)生重要的影響。探究細菌纖維素的溶解程度與再生纖維性能之間的關(guān)系成為有待研究的重要方向之一。本研究鑒于細菌纖維素的結(jié)構(gòu)特征,基于“材料再生”原理,旨在探究BC的最佳溶解條件以實現(xiàn)高機械強度性能的再生細菌纖維素長絲纖維的構(gòu)建。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

細菌纖維素(桂林奇宏科技有限公司),二甲基乙酰胺、氯化鋰、乙二胺、甲醇均為分析純(上海麥克林生化科技股份有限公司),MTT(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)。

濕法紡絲機(東華大學(xué)),D2015W型攪拌儀(上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司),FD-1D-50型冷凍干燥機(北京博醫(yī)康儀器有限公司),BX-51型光學(xué)顯微鏡(奧林巴斯有限公司),NEXUS-670紅外光譜測試儀(美國尼高力公司),SHZ-82A型氣浴恒溫強力測試儀(金壇市精達儀器制造廠),ARES-RFS流變性能測試儀(美國TA儀器公司);JSM-5600LV型掃描電鏡(日本日立公司),XQ-2型纖維強力儀(上海利浦應(yīng)用科學(xué)技術(shù)研究所),Multiskan酶標(biāo)儀(美國Thermo Scientific)。

1.2 再生細菌纖維素長絲纖維的制備

首先進行細菌纖維素活化,然后進行細菌纖維素的溶解,充分溶解成為紡絲液后進行纖維的紡絲制備。將5.0 g細菌纖維素加至50 mL、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的乙二胺中進行活化處理,室溫下浸漬60 min;蒸餾水洗滌后再用甲醇浸泡2次,每次30 min,凍干機凍干備用;稱量2.0 g活化細菌纖維素加入250 mL圓底燒瓶中,配制LiCl含量為7%～8%的二甲基乙酰胺/氯化鋰(DMAc/LiCl)混合溶劑體系100 mL加入同一圓底燒瓶中;攪拌溶解8～16 h,隨即采用小型濕法紡絲機紡絲。

1.3 測試與表征方法

1.3.1 紡絲液的狀態(tài)及纖維形貌觀察

用光學(xué)顯微鏡觀察紡絲液的溶解狀態(tài)。將50 μL溶解不同時間的紡絲液用DMAc迅速稀釋10倍后,滴至載玻片上,在顯微鏡下觀察。

真空狀態(tài)下,將待測樣品表面進行噴金處理。用掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope,SEM)觀察纖維表面形貌。

1.3.2 紡絲液流變性能研究

紡絲液的流變性能使用旋轉(zhuǎn)流變儀進行測試。銅板直徑為50 mm,測試溫度為25 ℃。利用非牛頓指數(shù)(n)衡量流體偏離牛頓流體程度,從而評價紡絲液的流變性能。計算公式如下:

(1)

1.3.3 細菌纖維素再生前后化學(xué)性質(zhì)分析

分別取約200 mg再生前后的干燥細菌纖維素,用紅外光譜儀對其進行傅里葉變換衰減全反射紅外光譜(ATR-FTIR)測試,波數(shù)掃描4 000～500 cm-1。

1.3.4 線密度及機械性能測試

RBC長絲纖維的機械性能:纖維線密度采用中段稱重法,參照GB/T 6100—2007《棉纖維線密度試驗方法 中段稱重法》進行測試;然后采用XQ-2型電子式單纖維強力儀,按照國標(biāo)GB/T 14344—2008《化學(xué)纖維 長絲拉伸性能試驗方法》對纖維進行機械強力性能進行測試,n=20。測試條件為夾距20 mm,拉伸速度50 mm/min,環(huán)境相對濕度65%,溫度20 ℃。

1.3.5 細胞黏附增殖性能研究

采用MTT法對實驗材料進行細胞黏附增殖分析[13]。選用L929小鼠成纖維細胞作為細胞模型。三組測試樣品分別為未進行后處理的濕紡RBC纖維,經(jīng)過后處理的RBC濕紡纖維(后處理是指深度水洗與延長真空烘干時長,具體為60～70 ℃浸漬水洗3次,5 min/次,隨后取出并置于真空干燥箱中30 ℃真空干燥72 h),以及原細菌纖維素。首先,試樣分別黏附在細胞爬片上,并以未黏附試樣的細胞爬片作為對照組。再將樣品分別放入24孔板中,每個樣品設(shè)置3份平行,用紫外光照射12 h進行滅菌。之后將含有L929小鼠成纖維細胞的完全培養(yǎng)基(DMEM,其中包含10%的胎牛血清(FBS)和100 U/mL的雙抗)400 μL加入到24孔板中(每孔1×104個細胞),并放入培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。待培養(yǎng)1、3、5 d后,取出孔板,移除培養(yǎng)液,隨即在每個孔板中分別加入40 μL MTT和360 μL DMEM,繼續(xù)于培養(yǎng)箱避光培養(yǎng)4 h。然后吸出孔板中的培養(yǎng)液,再加入400 μL的二甲基亞砜(DMSO)避光震蕩15 min,使藍色沉淀物甲瓚充分溶解。取出24孔板,取200 μL于96孔板中,用酶標(biāo)儀測定各孔在570 nm波長下的吸光度,以此反應(yīng)細胞在纖維材料上的黏附增殖性能。通過ANOVA方法進行統(tǒng)計學(xué)差異分析。“*”表示P<0.05,認為樣品之間存在統(tǒng)計學(xué)上的差異;“** ”表示P<0.01,為有顯著統(tǒng)計學(xué)差異;“*** ”表示P<0.001,為有極其顯著的統(tǒng)計學(xué)差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 溶解時間與溶解狀態(tài)

采用DMAc/LiCl溶劑對細菌纖維素進行溶解,溶解狀態(tài)如圖1和圖2所示。纖維素的溶解機理主要是基于纖維素分子鏈間和鏈內(nèi)的氫鍵被溶劑破壞,氫鍵的破裂和重建對纖維素的溶解度、吸濕性及反應(yīng)性等性質(zhì)均會產(chǎn)生影響。纖維素的溶脹與溶解過程相伴發(fā)生,溶解過程不可避免地發(fā)生大分子鏈的斷裂和降解,從而影響再生纖維材料的機械性能。由圖1能夠明顯看到細菌纖維素從溶脹到溶解的轉(zhuǎn)變過程,當(dāng)溶解到一定程度后借助光學(xué)顯微鏡進行觀察,得到圖2所示圖像。

圖1 BC溶解過程中的不同狀態(tài)Fig.1 Different states of BC during dissolution

圖2 溶解不同時間后的BC/DMAc/LiCl紡絲液的光學(xué)顯微鏡成像Fig.2 Optical micrographs of BC/DMAc/LiCl spinning solution after dissolution for different times

由圖1可見,從溶脹到溶解的轉(zhuǎn)變過程中,細菌纖維素從凝膠塊轉(zhuǎn)變成均勻的溶液。溶解機理為:首先Li+在羰基和DMAc的氮原子之間發(fā)生絡(luò)合,游離出具有堿性的Cl-再與纖維素上的羥基結(jié)合,以降低纖維素分子上的氫鍵作用,同時破壞纖維素晶格中的氫鍵網(wǎng)絡(luò),使(DMAcLi)+離子對纖維素分子起溶劑化作用,導(dǎo)致纖維素分子鏈分離而溶解[14-15]。由圖2可見,溶解6 h后,細菌纖維素的骨架結(jié)構(gòu)仍清晰可見,說明溶解6 h后仍有較多未溶解的細菌纖維素。溶解10 h后,細菌纖維素的骨架結(jié)構(gòu)明顯減少,將溶解時間進一步延長至14 h后發(fā)現(xiàn),BC已經(jīng)完全溶解。為了避免因分子尺寸過小肉眼和光學(xué)顯微鏡無法觀察,但仍存在細菌纖維素大分子聚集體未完全被溶解成單分子狀態(tài)的情況,需要結(jié)合性能的測試結(jié)果間接反映其溶解情況。由溶解時間與溶解狀態(tài)的關(guān)系可知,細菌纖維素溶解過程的開始階段主要以溶脹為主,而后溶解加速[16],10 h后仍可觀察有微量未溶物,14 h后在光學(xué)顯微鏡下觀察已經(jīng)成為比較勻質(zhì)的溶液。可以初步推測細菌纖維素被完全溶解的時間在10～16 h,繼而通過測試該時間范圍內(nèi)制備纖維的機械性能來確定最佳溶解時間。

2.2 再生細菌纖維素纖維機械性能分析

對BC紡絲液進行濕法紡絲,纖維的成型過程伴隨著相分離與相平衡行為而進行。細菌纖維素經(jīng)過溶劑溶解后形成高聚物和溶劑的二元體系,噴絲擠壓出來的絲態(tài)凝膠通入凝固浴后,紡絲液中的溶劑不斷擴散溶出,凝固劑不斷擴散進入到絲態(tài)凝膠中使其逐漸轉(zhuǎn)化為固態(tài)纖維。凝膠態(tài)絲條施以牽伸作用力,使各向異性的液態(tài)大分子受到軸向取向作用進而快速形成規(guī)整結(jié)構(gòu)和結(jié)晶結(jié)構(gòu)。單分子纖維素的排列在牽伸下從無序轉(zhuǎn)化成有序,從無定型轉(zhuǎn)化為晶型,對長絲纖維機械強力性能的提高具有至關(guān)重要的作用。基于細菌纖維素的溶解時間和溶解狀態(tài),進一步通過測試該時間范圍內(nèi)制備纖維的機械性能來確定最佳溶解時間,然后使用拉伸斷裂伸長率來評價再生細菌纖維素長絲纖維的機械強力性能。在圖1和圖2溶解狀態(tài)測試結(jié)果的基礎(chǔ)上,進一步將分別溶解不同時間后(10、12、14、16、18 h)的紡絲液在相同的紡絲條件下進行濕法紡絲,得到一系列RBC長絲,對其進行強力性能測試,得到結(jié)果如圖3所示。

圖3 RBC長絲的機械強力性能Fig.3 Mechanical parameters of the RBC filaments

由圖3可知,處于干態(tài)和濕凝膠態(tài)的纖維長絲的強力性能均表現(xiàn)出先上升再下降的趨勢,即斷裂強度和延伸性在溶解14 h達到最高值,超過14h后發(fā)生下降。溶解時間為14 h時,干態(tài)纖維的斷裂強度和延伸性分別為6.50 cN/dtex和7.12%,濕凝膠態(tài)纖維的斷裂強度和延伸性分別為4.3 cN/dtex和14.3%。據(jù)文獻報道,李曉俊等[9]以1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽為溶劑制備的再生纖維素纖維的斷裂強度為1.32～1.95 cN/dtex,盧新坤等[15]以離子液體(氯化1-甲基-3-正丁基咪唑,BMIMCl)為溶劑制備得到RBC纖維的斷裂強度為0.54～1.36 cN/dtex,Lu等[12]以氯化鋅為溶劑制備得到RBC纖維的斷裂強度為0.66～0.83 cN/dtex,本課題組前期研究中的RBC纖維的斷裂強度約為2.50 cN/dtex[17]。由此可見,工藝改進后所制備的RBC長絲纖維具有較高的機械性能。但在14 h后,纖維的機械性能又發(fā)生了明顯的下降,同時發(fā)現(xiàn)每個樣品所測的20個數(shù)值與其平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差大大降低,說明隨著溶解時間的延長,纖維的強力均勻性更好,也間接反映出BC溶解更加充分。由此,RBC纖維的斷裂強力性能與BC的溶解時間存在一定關(guān)系。斷裂強度測試結(jié)果表明,BC溶解14 h所制備的纖維能夠達到最佳的機械性能。由此可推測,BC在溶解14 h時,其超精細納米原纖結(jié)構(gòu)可能并沒有被溶劑完全瓦解,仍存在少量大分子聚集體,從而達到了BC溶解程度和再生纖維機械強力性能的最佳平衡點。

2.3 紡絲液的流變性能研究

圖4 紡絲液的流變性能Fig.4 Rheological behavior of spinning solution

2.4 細菌纖維素纖維再生前后的形貌變化

對原生BC和再生BC的形貌進行觀察,結(jié)果如圖5所示。本研究中的RBC是基于雙擴散理論,利用濕法紡絲技術(shù)進行制備。經(jīng)過細菌纖維素溶解、噴絲、凝固浴凝固、纖維牽伸成型等主要步驟,使細菌纖維素從3D納米原纖膜的形態(tài)再生轉(zhuǎn)化為微米級單絲纖維形態(tài)。通過調(diào)控細菌纖維素的溶解程度、凝固時間和牽伸速率使RBC纖維獲得了一種特有的溝槽狀表面結(jié)構(gòu)。原生BC和RBC長絲纖維的表面形貌結(jié)構(gòu)分別如圖5(a)(b)所示。由圖5(a)能夠看到原生BC膜特有的三維網(wǎng)狀納米纖維膜結(jié)構(gòu)。再生后的RBC纖維形貌規(guī)整,直徑約為50 μm,有均勻的溝槽結(jié)構(gòu),由圖5(b)可見溝槽結(jié)構(gòu)僅出現(xiàn)在表層。該結(jié)構(gòu)比光滑表面具有更高的比表面積,從而能夠賦予纖維更強的吸附性、黏附性等潛在的性能。由圖5(c)可見,RBC纖維的斷面呈橢圓結(jié)構(gòu)。通過圖5(d)可見,長絲纖維呈白色,并產(chǎn)生較好光澤,再生的同時也失去了BC原有的3D納米原纖結(jié)構(gòu)。

圖5 不同狀態(tài)下的纖維形貌表征Fig.5 Morphology images of the fibers in different states

2.5 ATR-FTIR分析

對再生前后BC分別進行了傅里葉變換衰減全反射紅外光譜測試,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,細菌纖維素與再生纖維的結(jié)構(gòu)具有相同的典型特征峰,分別在3 385 cm-1有羥基O—H伸縮振動(由纖維素中—CH2—OH和—CH—OH結(jié)構(gòu)引起),2 850 cm-1對應(yīng)的是脂肪族飽和烷基C—H基團,1 059 cm-1代表C—O—C伸縮振動(由吡喃糖環(huán)引起)[12]。二者峰結(jié)構(gòu)在1 350～650 cm-1內(nèi)的指紋區(qū)稍有區(qū)別,主要由纖維素晶型變化或特征峰的吸收強度變化引起,并不代表主要化學(xué)基團發(fā)生了較大變化。由上述分析可知,在細菌纖維素再生前后未發(fā)生明顯的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化,這與其他研究者[19]的研究結(jié)果一致。

圖6 FTIR測試譜圖Fig.6 FTIR spectra

2.6 細胞相容性評價

本研究對RBC纖維的細胞相容性測試結(jié)果如圖7所示。利用MTT法檢測活細胞線粒體中琥珀酸脫氫酶的活力,其總活性與細胞數(shù)呈正相關(guān),可間接反映細胞在共培養(yǎng)材料上的黏附增殖能力及細胞毒性。由圖7可知,在細胞培養(yǎng)1、3、5 d后,L929細胞在不同材料上(空白、經(jīng)過深度水洗與延長真空烘干時長后處理的RBC纖維、未經(jīng)后處理的RBC纖維、原BC膜)的黏附增殖情況雖有較大差別,但整體呈上升趨勢。除了沒有經(jīng)過后處理的纖維樣品之外,隨著培養(yǎng)時間的增加,細胞在各個材料上都顯示出較好的增殖情況。未經(jīng)過后處理的RBC纖維,所測得的吸光度值在第3天時先上升,到第5天又發(fā)生了下降,顯示出較低的增殖結(jié)果,推測與其存在大量溶劑殘留會導(dǎo)致細胞凋亡有關(guān),更說明除去殘留溶劑的必要性。另外,由圖7可知,經(jīng)過后處理的RBC纖維比原BC膜及空白對照組(細胞培養(yǎng)載玻片)的吸光度值更高。分析認為是該纖維具有較高的比表面積,有助于細胞黏附增殖[20],從而說明其具備良好的細胞相容性。

圖7 L929細胞在不同材料上的黏附增殖性能Fig.7 Adhesion and proliferation properties of the L929 cells on different materials

3 結(jié) 論

基于“材料再生”原理,本研究利用濕法紡絲技術(shù)成功制備具有高機械強力性能和良好生物相容性的再生細菌纖維素長絲纖維。研究發(fā)現(xiàn),纖維拉伸斷裂強力性能與細菌纖維素的溶解程度密切相關(guān)。采用DMAc/LiCl混合溶劑對BC溶解14 h所制備再生纖維具有最佳的斷裂強度和斷裂伸長率。BC再生前后沒有發(fā)生明顯的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化,主要是物理形貌的改變。BC在再生過程中失去了原有的3D納米原纖結(jié)構(gòu),得到的RBC長絲纖維形貌規(guī)整,直徑約為50 μm,溝槽結(jié)構(gòu)分布均勻。并且,經(jīng)過后處理的再生纖維顯示出良好的細胞相容性,具有高性能醫(yī)用纖維材料的應(yīng)用前景。

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