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新型医学生物材料——细菌纤维素的制备与表征

作　者: 李朋
导　师: 洪枫
学　校: 东华大学
专　业: 生物化工
关键词: 细菌纤维素改性管状材料生物反应器力学测试
分类号: TQ352.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

细菌纤维素(Bacterial Cellulose,简称BC)又称为微生物纤维素(MicrobialCellulose),它是一种由细菌产生的生物高聚物。从纤维素的分子组成看,BC和植物纤维素一样都是由β-D-葡萄糖通过β-1.4-糖苷键结合成的直链,又称为β-1,4-葡聚糖。但从物理、化学、机械性能来看,它具有自己独特的性质,例如高的结晶度、高的持水性、超细纳米纤维网络、高抗张强度和弹性模量等,是一种新型纳米生物材料,已应用于食品、造纸、医学材料、声音振动膜等各个领域,现已成为国际的研究热点。血管材料一直是全世界研究的热点,全世界每年要施行的许多血管重建手术。由于自体血管来源有限,而异体血管的排异作用,以及来源少和价格昂贵等原因,常不得不使用人工合成血管作为替代品。寻找新型可代替的血管材料是最近的研究热点,近30年来,人们一直在致力于这方面的研究。目前国内外利用微生物合成管状细菌纤维素的研究主要都以透氧性的硅胶管为介质采用静态培养的方法发酵制备,但是静态法发酵时制备得到的管状细菌纤维素材料具有一定的局限性,比如:管状材料的厚度较薄、管状材料的长度受限、发酵周期长、静态制备容易出现分层现象等。因此,本课题通过利用细菌纤维素吸附生长,而且是好氧生长的特性,结合动态法和静态法的优点,设计出了一种制备管状细菌纤维素材料的亚静态生物反应器,并对该反应器的一些设计参数以及利用该反应器制备管状细菌纤维素的条件进行了优化,为以后制备管状材料提供理论依据。本研究以Acetobacter xylinum为生产菌种,研究了动态法发酵制备管状细菌纤维素材料的性能,结果发现动态法下制备合成的细菌纤维素具有明显的结构优势,在静态下制备的管状材料具有明显的分层现象,而动态法制备的管状材料结构均一,在电镜下没有分层现象。通过对材料不同方向的力学测试以及结果分析找出了含水率、培养时间和管状材料强力之间存在一定的函数关系。本研究对细菌纤维素的溶解性能进行了研究。有关细菌纤维素的溶解,目前报道的主要是LiCl/DMAC体系,但是该体系价格昂贵,仅适合实验室研究。本课题采用绿色溶剂——离子液体作为溶解体系,分别研究了不同形态细菌纤维素在两种离子液体中的溶解差异,研究了不同温度、不同转速对细菌纤维素的溶解影响,考察了溶解后细菌纤维素的析出以及离子液体的回收。结果表明:纤维素均能很好地溶解在离子液体中。随着温度和转速的增加,细菌纤维素在离子液体中的溶解效率变大,[AMIM]Cl离子液体的最大溶解度为3%,[BMIM]Cl的溶解度为1.2%。两种离子液体的回收率分别为96%和94%,本研究是首次报道[AMIM]Cl离子液体对细菌纤维素的可溶性。本研究又以静态发酵制备纤维素为研究对象,考察了细菌纤维素的改性研究,研究了在发酵培养基中添加琼脂、可溶淀粉、明胶、壳聚糖等高分子物质对合成的细菌纤维素强力的影响。结果发现:琼脂、可溶性淀粉、明胶都在一定程度上提高了合成的细菌细菌纤维素的强力。壳聚糖由于本身具有抑菌作用,抑制了木醋杆菌的生长,所以基本上不能合成纤维素,通过DSC和TGA分析证实改性细菌纤维素材料中高分子添加物的存在。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第一章绪论  11-32
  1.1 前言  11-12
  1.2 细菌纤维素的国内外研究进展  12-14
    1.2.1 细菌纤维素的国外研究进展  12-13
    1.2.2 细菌纤维素的国内研究进展  13-14
  1.3 细菌纤维素的结构与特性  14-17
    1.3.1 纤维素的结构  14-15
    1.3.2 细菌纤维素的特性  15-17
  1.4 细菌纤维素的合成与调控机理  17-23
    1.4.1 纤维素的合成菌种  17-18
    1.4.2 纤维素的合成途径  18-19
    1.4.3 细菌纤维素分泌、组装和结晶  19-20
    1.4.4 细菌纤维素合成酶系统  20-21
    1.4.5 细菌纤维素合成的调控体系  21-23
  1.5 细菌纤维素的发酵培养方式  23-25
  1.6 细菌纤维的应用  25-30
    1.6.1 细菌纤维素在医学方面的应用  25-29
    1.6.2 细菌纤维素在其它行业的应用  29-30
  1.7 本课题的立题背景和主要研究内容  30-31
  1.8 本课题的创新点  31-32
第二章细菌纤维素复合材料的发酵制备研究  32-44
  2.1 实验材料及试剂  32-34
    2.1.1 菌种来源  32
    2.1.2 实验试剂  32-33
    2.1.3 试验仪器  33
    2.1.4 基本培养基  33-34
  2.2 实验方法  34-35
    2.2.1 种子复壮  34
    2.2.2 细菌纤维素的制备方法  34
    2.2.3 高分子物质的添加对细菌纤维素的影响  34
    2.2.4 细菌纤维素的提取和处理方法  34
    2.2.5 细菌纤维素样品性能测试  34-35
  2.3 结果讨论  35-43
    2.3.1 细菌纤维素复合材料的强力性能测试  35-36
    2.3.2 细菌纤维素复合材料的扫描电镜分析  36-38
    2.3.3 细菌纤维素复合材料的热重分析TGA  38-42
    2.3.4 细菌纤维素复合材料的差动热分析DSC  42-43
  2.4 本章小结  43-44
第三章细菌纤维素在离子液体中的溶解性能  44-53
  3.1 试验材料与试剂  44-46
    3.1.1 菌种来源  44
    3.1.2 实验试剂  44-45
    3.1.3 试验仪器  45
    3.1.4 基本培养基  45-46
  3.2 实验方法  46-49
    3.2.1 种子复壮  46
    3.2.2 细菌纤维素样品制备  46
    3.2.3 离子液体的制备  46-47
    3.2.4 细菌纤维素的溶解  47-48
    3.2.5 搅拌转速对细菌纤维素溶解的影响  48
    3.2.6 温度对细菌纤维素溶解的影响  48
    3.2.7 离子液体粘度的测定  48-49
    3.2.8 细菌纤维素的再生与回收  49
    3.2.9 离子液体的再生  49
  3.3 结果与讨论  49-52
    3.3.1 两种离子液体中细菌纤维素的溶解性能  49-50
    3.3.2 影响细菌纤维素溶解的相关因素  50-51
    3.3.3 细菌纤维素和离子液体的回收再生  51-52
  3.4 本章小结  52-53
第四章管状细菌纤维素材料的制备与表征  53-72
  4.1 实验材料与方法  53-55
    4.1.1 菌种来源  53
    4.1.2 实验试剂  53-54
    4.1.3 实验仪器  54
    4.1.4 基本培养基  54-55
  4.2 实验方法  55-59
    4.2.1 生物反应器的设计  55-57
    4.2.2 种子复壮  57
    4.2.3 管状BC的制备  57
    4.2.4 转速对管型材料成形的影响  57
    4.2.5 管状BC的收获及处理  57-58
    4.2.6 管状BC的表征  58-59
  4.3 结果与讨论  59-70
    4.3.1 生物反应器转盘结构及棒形模具的确定  59-60
    4.3.2 转速对管型材料成形的影响  60-61
    4.3.3 管状BC的力学测试与表征  61-70
  4.4 本章小结  70-72
第五章结论  72-75
  5.1 细菌纤维素复合材料的发酵制备研究  72-73
  5.2 细菌纤维素在离子液体中的溶解性能  73
  5.3 管状细菌纤维素材料的制备与表征  73-74
  5.4 展望  74-75
参考文献  75-80
攻读硕士学位期间的研究成果目录  80-81
致谢  81

新型医学生物材料——细菌纤维素的制备与表征

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