摘 要

生物可降解水凝胶有良好的生物相容性，在组织工程中有广泛的应用潜能，但其普遍存在力学性能较差的缺点。而在水凝胶中添加纳米纤维增强材料制造复合材料有望增强其力学性能、提高其应用范围。本设计选取细菌纤维素（BC）为增强材料研究对象，比较分别用硫酸和NaOH—尿素混合液对其进行水解处理的结果，以及研究将水解得到的BC粉末引入癸二酸多元醇酯类光聚合水凝胶。所得结果对细菌纤维素纳米纤维的制造和BC增强癸二酸多元醇酯类新型弹性可降解材料在软组织工程中的应用有重要的指导意义。

本设计主要研究了水解细菌纤维素制造纳米纤维增强材料的方法及其与癸二酸多元醇酯类光聚合水凝胶的复合过程。

研究结果表明：浓硫酸会迅速溶解细菌纤维素，破坏BC的结构，使其脱水炭化，无法再生和提取。NaOH—尿素混合液可以使得经NaOH活化后的BC溶解，进而提取得到再生BC粉末，通过对比两种方法可以进一步了解BC的结构和性能。通过化学方法来合成聚乙二醇癸二酸木糖醇酯（PEG-co-PXS）和聚乙二醇癸二酸甘油酯（PEG-co-PGS），引入不同比例的细菌纤维素粉，NaOH—尿素法水解的BC产物与上述预聚物材料的复合物呈强碱性，无法光聚合得到水凝胶，只有经透析处理后的BC粉末与预聚物的复合物溶液呈中性，能在紫外光照下聚合成水凝胶。

本文特色在于：应用NaOH—尿素混合液法水解BC及采用BC纳米纤维增强材料引入癸二酸多元醇酯光聚合水凝胶。

关键词：细菌纤维素；氢氧化钠-尿素混合液；癸二酸多元醇酯；水凝胶

Abstract

Biodegradable hydrogels have good biocompatibility and great potential to used in tissue engineering. But most of them have poor mechanical properties. New composite materials can be produced by adding nano-fiber in the hydrogel. The nano fiber reinforced composite is hopeful to enhance the mechanical properties and increases their scope of application. This paper chooses bacterial cellulose(BC) as reinforced material and compares two hydrolysis methods: dissolution of BC in sulfuric acid or sodium hydroxide-urea aqueous solution. Besides, the paper studies the compound process of adding obtained BC powder to sebacic acid polyol ester polymeric hydrogels. The final results guide the preparation of nano-fiber BC and help to develop sebacic acid polyol ester in the application of tissue engineering.

This paper mainly studies two methods for dissolution of BC to get nano-fiber reinforced composite and the compound process of adding BC powder to sebacic acid polyol ester polymeric hydrogels.

The results show that concentrated sulfuric acid can dissolve bacterial cellulose rapidly, destroy the structure, make it lose water and char it. So that it can’t be regenerated and extracted. However, the BC can be dissolved in sodium hydroxide-urea aqueous solution after the activation of sodium hydroxide and then be extracted. Compared with the two methods, we can further understand the structure and performance of BC. Also we synthesized poly (xylitol sebacate)-co-poly (ethylene glycol) and poly (glycerol sebacate)-co-poly (ethylene glycol) in chemical methods. The prepolymer and BC solution show strongly alkaline affect the photopolymerization reaction. After BC powder is treated in dialysis, the composite solution are neutral and under ultraviolet light form hydrogels.

This paper developed the methods to dissolve BC by using sodium hydroxide-urea aqueous solution and get better performance BC nano-fiber reinforced PEG-co-PXS hydrogels.

Key Words：bacterial cellulose; sodium hydroxide-urea aqueous solution; sebacic acid polyol ester; hydrogels.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 BC概述 1

1.1.1 BC的结构 1

1.1.2 BC的性质 2

1.2 BC的研究现状 2

1.2.1 BC溶解性研究 2

1.2.2 BC纳米复合材料 3

1.3 BC的应用 4

1.3.1 造纸工业方面 4

1.3.2 食品工业方面 4

1.3.3 医药方面 4

1.3.4 音响振动膜方面 5

1.3.5 生物材料方面 5

1.4 癸二酸多元醇酯类生物材料 5

1.4.1 PEG-co-PGS介绍 5

1.4.2 PEG-co-PXS介绍 6

1.5 光聚合制作水凝胶介绍 6

1.6 本研究的主要内容和意义 7

1.6.1研究的主要内容 7

1.6.2研究的意义 7

第2章 实验方法与过程 8

2.1 实验试剂与仪器 8

2.1.1实验试剂 8

2.1.2实验仪器 9

2.2 实验方法及步骤 10

2.2.1 硫酸水解法 10

2.2.2 氢氧化钠—尿素水解法 10

2.2.3 SEM测试观察BC纤维素形态 11

2.2.4制备PEG-co-PXS和PEG-co-PGS 11

2.2.4.1制备PEG-co-PXS 11

2.2.5制备复合物的水凝胶 13

2.2.6 BC和PEG-co-PXS的NMR测试 15

第3章 结果与讨论 16

3.1 BC的SEM分析 16

3.2 强酸和强碱对BC溶解性的影响 17

3.2.1 硫酸对BC溶解性的影响 17

3.2.2 NaOH-尿素对BC溶解性的影响 17

3.3 BC粉末NMR分析 17

3.4 PEG-co-PXS NMR分析 18

3.5碱性环境对光聚合反应的影响 19

第4章 结论 20

第5章 展望 21

参考文献 22

致 谢 23

附 录 24

第1章 绪论

1.1 BC概述

在地球上纤维素是一类最为丰富的生物大分子，它分为植物纤维（PC）和细菌纤维素（BC）两类。其中PC是天然植物纤维的主要成分，是植物胞壁的主要成分，占植物体干重的1/3-1/2，是贮藏量最大的多糖资源^[1]；BC是体外某些微生物初级代谢产生的特定产物。Brown^[2]在1886年首次报道了细菌纤维素，他发现静态培养木醋杆菌会使培养基表面形成一层白色纤维物质，后经实验分析这种物质具有纤维素的结构和性质，从而命名为BC。与PC相比，BC不含有木质素和半纤维等成分，是一种纯纤维素。它的纯度、结晶度和聚合度非常高，具有高亲水性、高强度和很好的生物适应性，且能在自然界中直接降解。

1.1.1 BC的结构

1.1.1.1 BC的表面基团

BC是葡萄糖以β-1,4-糖苷键连接形成的一种直链状高分子聚合物，它和植物纤维素化学组成十分相似，具备完整、连续的微观结构，BC链间相互平行，没有分支，通过分子内和分子间的氢键相互作用，产生一种网状结构。图1-1为BC分子结构示意图。