一种抗菌复合纤维及其制备方法和应用

本发明涉及复合纤维制备，尤其涉及一种抗菌复合纤维及其制备方法和应用。

背景技术：

1、细菌纤维素是由 d-吡喃葡萄糖单体以β-1,4-糖苷键聚合而成的一种胞外直链高分子多糖，它是由长度≈100µm、宽度≈137 nm的纳米纤维组成。与植物纤维素相比，细菌纤维素不含有大量的半纤维素或其他成分，并且是利用微生物合成的，这些微生物的生长周期短，繁殖能力强，新陈代谢快，因此细菌纤维素可以高效合成。作为一种天然轻质纳米纤维材料，细菌纤维素具有优异的机械性能、低的热膨胀系数、高比强度和高的杨氏模量。但是通过湿法纺丝获得的细菌纤维素粗纤维由于凝固后残留的许多缺陷，常表现出较低的机械性能，这些缺陷导致在外力作用下形成应力集中。因此，避免在纺丝过程中形成这些缺陷已经成为一个巨大的挑战。聚乙烯醇是一种安全性非常高的聚合物，具有较好的机械性能，良好的生物相容性和成纤能力，使其在诸多领域得到应用。但其不具有抗菌性能，降解时间远超天然高分子材料，这使得其在医学应用领域受到限制。石墨烯作为一种最薄最轻的小分子材料，是一种常见的高分子增强剂，常用于优化高分子材料的力学性能。但是石墨烯特殊的分子结构导致其分散性很差，这一缺陷导致石墨烯无法应用于凝胶纺丝制备。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种强度高、抗菌性能好、降解性能好、可生物相容性的氧化石墨烯与纳米晶高取向组装的抗菌复合纤维及其制备方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、本发明的第一目的是提供一种抗菌复合纤维的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤s1，通过碱处理和酸处理将细菌纤维素水解为细菌纤维素纳米晶溶液；

5、步骤s2，将细菌纤维素纳米晶溶液加入二甲基亚砜和去离子水的混合液中，再加入氧化石墨烯水溶液与聚乙烯醇溶液搅拌，得到凝胶原液；

6、步骤s3，将步骤s2得到的凝胶原液，通过凝胶纺丝法，恒温挤出到含有香兰素的冰乙醇萃取液中，冷凝萃取交联，后热拉伸调控分子取向，得到抗菌复合纤维。

7、进一步的，在步骤s1中，所述碱处理和酸处理的过程为将细菌纤维素用0.1m的naoh沸水除去醋酸杆菌和营养液，再用去离子水清洗至中性，后打碎形成细菌纤维素分散液，将其倒入模具，冷冻干燥后，使用硫酸水解细菌纤维素。

8、进一步的，所述硫酸的水溶液浓度58~70wt.%；所述酸解的搅拌温度为35~55℃、时间为30~120min。

9、进一步的，在步骤s2中，所述细菌纤维素纳米晶溶液中细菌纤维素纳米晶的质量含量为0.6~0.8wt%；所述二甲基亚砜与去离子水的质量比例为（2~5）:1。

10、进一步的，所述氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯的浓度为8mg/ml~13mg/ml，所述聚乙烯醇溶液中聚乙烯醇的质量含量为12~16wt%。

11、进一步的，氧化石墨烯与聚乙烯醇的质量比例为0.001~0.007:1。

12、进一步的，在步骤s3中，所述的冷凝萃取液采用香兰素与乙醇混合溶液，质量比为（0~0.05）:1，温度为-10~20℃。

13、进一步的，所述的热拉伸在90~120℃的空气氛下进行，所述拉伸的拉伸倍率为8~14倍。

14、本发明的第二目的是提供一种采用上述的制备方法制备得到的抗菌复合纤维。

15、本发明的第三目的是提供上述的抗菌复合纤维在制备手术缝合线产品中的应用。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、（1）本发明提供了一种抗菌复合纤维的制备方法，是通过碱处理和酸处理将细菌纤维素水解为高模量的棒状纳米晶，加入氧化石墨烯二维片层分散液，在氢键的作用下与棒状纳米晶自组装分散于聚乙烯醇凝胶基体中，由此得到的自组装的氧化石墨烯与棒状纳米晶具有更高的模量。制备得到的氧化石墨烯与纳米晶高取向组装的抗菌纤维相较于纯聚乙烯醇纤维力学性能有显著提升。

18、（2）氧化石墨烯表面和边缘处含有大量的羧基、羟基、环氧基等含氧基团，这些含氧基团通过氢键作用使氧化石墨烯接枝到细菌纤维素和聚乙烯醇的羟基官能团上，改变细菌纤维素和聚乙烯醇的结构。同时，氧化石墨烯具有抗菌性，能够很好的分散在细菌纤维素纳米晶/聚乙烯醇混合溶液中并且与高分子间形成多重氢键和交联，在提高综合力学性能的同时赋予复合纤维抗菌性能。

19、（3）细菌纤维素具有高纯度、高结晶性、高吸水能力和持水能力、高强度以及生物相容性等独特性质。但细菌纤维素纳米晶由于其亲水性而倾向于聚集，使用硫酸水解细菌纤维素，使其表面带有负电的硫酸根基团，纳米晶之间的静电斥力使得其在纺丝原液中能够稳定分散。细菌纤维素纳米晶在复合纤维中的取向显著影响其性能，因此，通过热拉伸改善细菌纤维素纳米晶的取向，提高复合纤维的力学性能。聚乙烯醇是一种安全性非常高的聚合物，具有较好的机械性能，良好的生物相容性和成纤能力，但其降解时间远超天然高分子材料，通过加入细菌纤维素纳米晶提高了其降解性能，同时聚乙烯醇高分子分子链之间相互缠绕，通过热拉伸使其分子链具有一定的取向度，从而提高了力学性能。

20、（4）酸解后的细菌纤维素呈纳米晶态，并且单个细菌纤维素纳米晶具有高的杨氏模量，通过热拉伸提高分子取向，进一步提高复合纤维力学性能；细菌纤维素纳米晶充当填料可提高复合纤维降解性能。

21、（5）香兰素含有醛基可作为交联剂使用，醛基与聚乙烯醇的羟基以及氧化石墨烯的羟基发生羟醛缩合反应，此外香兰素是一种天然的抑菌剂，可破坏细菌细胞膜的完整性，使必要的酶失活，以达到抗菌的效果。香兰素交联作用使复合纤维力学性能提高的同时也增加了复合纤维抗菌性能。

技术特征：

1.一种抗菌复合纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，所述碱处理和酸处理的过程为将细菌纤维素用0.1m的naoh沸水除去醋酸杆菌和营养液，再用去离子水清洗至中性，后打碎形成细菌纤维素分散液，将其倒入模具，冷冻干燥后，使用硫酸水解细菌纤维素。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述硫酸的水溶液浓度58~70wt.%；所述酸解的搅拌温度为35~55℃、时间为30~120min。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，所述细菌纤维素纳米晶溶液中细菌纤维素纳米晶的质量含量为0.6~0.8wt%；所述二甲基亚砜与去离子水的质量比例为（2~5）:1。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯的浓度为8mg/ml~13mg/ml，所述聚乙烯醇溶液中聚乙烯醇的质量含量为12~16wt%。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，氧化石墨烯与聚乙烯醇的质量比例为（0.001~0.007）:1。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤s3中，所述的冷凝萃取液采用香兰素与乙醇混合溶液，质量比为（0~0.05）:1，温度为-10~20℃。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述的热拉伸在90~120℃的空气氛下进行，所述拉伸的拉伸倍率为8~14倍。

9.一种采用如权利要求1-8中任一项所述的制备方法制备得到的抗菌复合纤维。

10.如权利要求9中所述的抗菌复合纤维在制备手术缝合线产品中的应用。

技术总结本发明提供了一种抗菌复合纤维及其制备方法和应用，属于复合纤维制备技术领域。该抗菌复合纤维是通过碱处理和酸处理将细菌纤维素水解为高模量的棒状纳米晶，加入氧化石墨烯二维片层分散液，在氢键的作用下与棒状纳米晶自组装分散于聚乙烯醇凝胶基体中，由此得到的自组装的氧化石墨烯与棒状纳米晶具有更高的模量的凝胶纺丝原液，经恒温挤出到含有香兰素的萃取液中冷凝萃取交联，后热拉伸得到氧化石墨烯与纳米晶高取向组装的抗菌复合纤维。制备得到的氧化石墨烯与纳米晶高取向组装的抗菌纤维相较于纯聚乙烯醇纤维力学性能有显著提升。本发明提供的抗菌复合纤维具有优异的力学强度和抗菌性能，使其在医用缝合线领域应用成为可能。技术研发人员：拜永孝,马佩莹受保护的技术使用者：兰州大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29