阅读说明：本技术 一种纤维素抗菌材料及其制备方法和应用 (Cellulose antibacterial material and preparation method and application thereof ) 是由 宋文琦 高博 罗晨 訾帅 杨金腾 刘玉琨 于 2020-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种纤维素抗菌材料及其制备方法和应用,该纤维素抗菌材料是由离子液体单体和抗菌单体经RAFT聚合后,再与经尿素的碱性水溶液低温处理的纤维素加热反应而获得的,其具有良好抗生素吸附能力和抗菌能力,能够作为创伤敷料。本发明的方法,通过离子液体单体结构设计与抗菌单体选择,采用可控聚合技术,获得满足绿色碱溶剂体系下具同时满足该苛刻反应体系中良好水溶性、与羟基反应性和抗菌功能的聚离子液体大分子改性试剂,通过一步法,实现在碱溶剂体系中通过均相反应构建纤维素抗菌材料。(The invention discloses a cellulose antibacterial material and a preparation method and application thereof, the cellulose antibacterial material is obtained by polymerizing an ionic liquid monomer and an antibacterial monomer through RAFT and then heating and reacting with cellulose treated by urea alkaline aqueous solution at low temperature, has good antibiotic adsorption capacity and antibacterial capacity, and can be used as wound dressing. According to the method, through structural design of an ionic liquid monomer and selection of an antibacterial monomer, a controllable polymerization technology is adopted, a polyion liquid macromolecule modification reagent which meets the requirements of good water solubility, reactivity with hydroxyl and an antibacterial function in a green alkali solvent system and simultaneously meets the requirements of a harsh reaction system is obtained, and the cellulose antibacterial material is constructed through a homogeneous reaction in the alkali solvent system through a one-step method.)

一种纤维素抗菌材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种抗菌材料，具体涉及一种纤维素抗菌材料及其制备方法和应用。

背景技术

理想的敷料需要具有可吸收伤口渗出液、保持伤口接触面的温度及湿度、良好的透气性、抗菌消炎等优点，而水凝胶敷料较为接近理想敷料的要求。水凝胶是由亲水性高分子化合物通过共价键、离子键或氢键等交联得到的一种含有大量水分且具有三维网状结构的溶胀体，具备一定的抗压强度，且能够为伤口提供湿润的环境，与生物组织有较好的相容性，因而在药物控释、组织工程支架、创伤敷料等生物医学工程领域受到极大的关注，有着极为良好的应用前景。湿润环境有助于细胞生长，促进伤口的愈合，但同时也有利于有害微生物的滋长，因此功能性敷料的抗有害微生物感染特性就显得尤为重要。

基于石油基衍生物为原料的敷料，由于无法自然降解的缺陷，使其会对生态环境产生二次污染。相比石油基材料，植物纤维素是一种资源丰富、生物降解和成本低廉的理想原料，来制备绿色可持续敷料。然而，传统纤维素凝胶材料除了富含丰富的羟基，由于其缺乏抗菌性和针对抗生素的有效吸附性，造成在使用过程中极易形成细菌聚集体，影响使用性能而严重限制了纤维素纤维的进一步应用。因此，设计与制备同时具有抗菌和吸附抗生素的功能型纤维素基抗菌敷料面临着迫切的需求和挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种纤维素抗菌材料及其制备方法和应用，解决了现有敷料缺乏抗菌性和针对抗生素的有效吸附性的问题，具有良好抗生素吸附能力和抗菌能力。

为了达到上述目的，本发明提供了一种纤维素抗菌材料，该纤维素抗菌材料是由具有如式(4)所示的离子液体单体和具有如式(5)所示的抗菌单体经RAFT聚合后，再与经尿素的碱性水溶液低温处理的纤维素加热至10～60℃反应而获得的；

其中，n为1～5；Y选自氯、溴、和CH₃COO^-中的任意一种。

优选地，所述离子液体单体∶抗菌功能单体的摩尔比为0.5∶1～1∶0.5。

优选地，所述纤维素抗菌材料具有如式(1)所示的结构：

式(1)中，A为纤维素链，其结构为其中为与式(1)结构的连接处，a为300～600；Y选自氯、溴、

和CH₃COO^-中的任意一种；Z选自H或OH；n为1～5；m为0或1。

优选地，该纤维素抗菌材料具有如式(2)所示的结构：

本发明的另一目的是提供一种用于制备所述的纤维素抗菌材料的聚离子液体，该聚离子液体具有如式(3)所示的结构：

其中，stat表示无规共聚，n为1～5；Y选自氯、溴、和CH₃COO^-中的任意一种。

本发明的另一目的是提供一种所述的纤维素抗菌材料的制备方法，该方法包含：将所述的聚离子液体和经尿素的碱性水溶液处理的纤维素混合，控制聚离子液体∶纤维素的质量比为1～12∶20，加热至10～60℃反应，获得所述的纤维素抗菌材料。

优选地，所述尿素的碱性水溶液为处于-12.5℃下的含7wt％氢氧化钠和12wt％尿素的水溶液。

优选地，所述聚离子液体的制备方法为：

将具有式(4)所示的离子液体单体、具有式(5)所示的抗菌单体和链转移剂在极性溶剂中，通过引发剂AIBN引发聚合的方式，在惰性气体氛围下50～80℃合成PIL无规共聚大分子链；其中，所述离子液体单体和抗菌单体∶CTA∶AIBN的摩尔比为50～500∶1∶0.1；所述离子液体单体∶抗菌功能单体的摩尔比为0.5∶1～1∶0.5；所述极性溶剂包含：N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜和水中任意一种或两种以上；所述链转移剂为2-巯基-S-硫代苯甲酰乙酸。

优选地，所述离子液体单体的制备方法为：

Y选自氯、溴、BF₄ ^-、NO₃ ^-、CH₃SO₃ ^-和CH₃COO^-中的任意一种；M选自Na⁺、K⁺、NH₄ ⁺中的任意一种；

B选自氯、溴、碘和中的任意一种；X选自氯、溴、碘中的任意一种；n＝1～5；

在N-乙烯基咪唑或含有N-乙烯基咪唑的非质子性极性溶剂中，按1∶1的摩尔比逐滴加入具有如式(6)所示结构的烷基化试剂，于惰性气体氛围下在35～80℃反应温度下反应，得到目标离子液体单体；其中，所述非质子性极性溶剂包含：DMSO、DMF和乙腈中任意一种或两种以上。

本发明的另一目的是提供一种所述的纤维素抗菌材料的应用，纤维素抗菌材料用于作为具有抗菌作用的创伤敷料。

本发明的纤维素抗菌材料及其制备方法和应用，解决了现有敷料缺乏抗菌性和针对抗生素的有效吸附性的问题，具有以下优点：

本发明的纤维素抗菌材料具有良好抗生素吸附能力和抗菌能力，能够作为创伤敷料。

本发明的方法，通过离子液体单体结构设计与抗菌单体的选择，采用可控聚合技术，获得满足绿色碱溶剂体系下具有良好水溶性、与羟基反应性和应用功能性的聚离子液体，而目前对于纤维素功能化都是在非均相环境进行，很难实现在碱性环境和均相化学反应条件下反应，本发明的离子液体单体和抗菌单体通过RAFT聚合获得能够对纤维素进行改性的大分子改性试剂，而且该大分子改性试剂为水溶性的，能够满足在水溶液中均相反应，同时能够在强碱性条件下与纤维素羟基发生反应的官能团，还有能赋予改性纤维素材料的抗菌单体，从而通过一步法均相构建了纤维素抗菌材料。材料中的咪唑类离子液体通过破坏细胞壁结构，使细菌发生团聚、***，导致细菌死亡而获得抗菌作用。

附图说明

图1为本发明的纤维素抗菌材料的结构示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种纤维素抗菌材料，具有如下式(1)所示的结构：

式(1)中，A为纤维素链，其结构为其中为与式(1)结构的连接处，a为300～600；n为1～5，n的取值不能大于5，否则会导致疏水性增加；Y选自氯、溴、和CH₃COO^-中的任意一种。

更具体地，该纤维素抗菌材料，具有如下式(2)所示的结构：

上述纤维素抗菌材料的制备方法，该方法包含：

(1)离子液体单体合成

合成路线为：

Y选自氯、溴、BF₄ ^-、NO₃ ^-、CH₃SO₃ ^-和CH₃COO^-中的任意一种；M选自Na⁺、K⁺、NH₄ ⁺中的任意一种；

B选自氯、溴、碘和

中的任意一种；X选自氯、溴、碘中的任意一种；n＝1-5。

在N-乙烯基咪唑或含有N-乙烯基咪唑的非质子性极性溶剂中，按一定摩尔比逐滴加入具有如式(6)所示结构的烷基化试剂，升温至反应温度35～80℃，并通入惰性气体(如氮气或氩气)进行反应，反应时间为12～48h。

待反应结束后，采用旋转蒸发分离、有机溶剂萃取等方式提纯产物，得到离子液体单体。

其中，非质子性极性溶剂包含：DMSO、DMF和乙腈中任意一种或两种以上。烷基化反应试剂选自卤代环氧丙烷；环氧氯丁烷、1，2-二氯乙烷、1，2-二溴乙烷、1，2-二碘乙烷、1，3-二溴丙烷、1，3-二碘丙烷、1，4-二溴丁烷、1，5-二溴戊烷等。卤代环氧丙烷为环氧氯丙烷或环氧溴丙烷。

进一步地，若采用其它阴离子，则需进行离子交换，通过离子交换反应上去的不同阴离子来调节单体的亲疏水性(水溶性)。具体地，将上述离子液体单体置于含所需阴离子的盐溶液中，常温反应，最后用去离子水洗涤即可。

(2)PIL大分子链改性试剂的合成

将具有式(4)所示的离子液体单体、具有式(5)所示的抗菌单体(氯化1-乙烯基-3-辛基咪唑)和链转移剂(CTA)在极性溶剂中，通过引发剂AIBN引发聚合的方式，在氮气氛围下50～80℃合成PIL无规共聚大分子链，反应时间根据AIBN半衰期确定。其中，离子液体单体和抗菌单体∶CTA∶AIBN的摩尔比为50～500∶1∶0.1，离子液体单体∶抗菌功能单体的摩尔比为0.5∶1～1∶0.5。

其中，链转移剂为2-巯基-S-硫代苯甲酰乙酸；极性溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)和水中任意一种或两种以上。

合成的PIL大分子链改性试剂中，离子液体单体和抗菌单体部分中的咪唑离子能够实现大分子链改性试剂的水溶性，并且离子液体单体中的环氧或卤素能够实现与纤维素羟基的反应，从而实现对纤维素的改性，同时，抗菌单体赋予改性纤维素的抗菌功能。

(3)纤维素抗菌材料的制备

以棉纤维为原料，利用在-12.5℃下预冷却的7wt％氢氧化钠和12wt％尿素的水溶液作为溶剂，配置一定浓度的纤维素溶液。随后，将步骤(2)制备的PIL大分子改性剂溶解于上述纤维素溶液中，控制PIL大分子链∶纤维素的质量比为1～12∶20，升温至10～60℃进行反应，最终获得具有良好抗生素吸附能力和抗菌能力的PIL修饰的功能性纤维素凝胶材料。

以下通过实施例1对本发明提供的一种纤维素抗菌材料的制备方法进行具体的说明。

实施例1

一种纤维素抗菌材料的制备方法，包含：

(1)离子液体单体的制备

将1-乙烯基咪唑(1.88g，20mmol)和环氧氯丙烷(1.86g，20mmol)在烧瓶中混合，并在氮气氛下在50℃下搅拌24h。用丙酮(5×60mL)洗涤沉淀物，并在真空下干燥以获得深红色固体[GVIM]Cl，即氯化1-环氧丙基-3-乙烯基咪唑(离子液体单体)。

[GVIM]Cl的核磁表征数据为：

¹H NMR(300MHz,DMSO-d6,TMS):δ9.81-7.92(咪唑环,3H),δ7.58-5.40(-CH＝CH ₂,3H),δ4.67-4.21(CH ₂CHOCH ₂,5H)

(2)PIL大分子链改性试剂的合成

将[GVIM]Cl(2.2g)、氯化1-乙烯基-3-辛基咪唑(1.0g，为抗菌单体，即功能性基团)和2-巯基-S-硫代苯甲酰乙酸(90mg)在20mL水中，通过引发剂APS(60mg)引发聚合的方式，在氮气氛围下于73℃反应10h合成PIL无规共聚大分子链，其中，离子液体单体和抗菌单体∶CTA∶AIBN的摩尔比为50～500∶1∶0.1，离子液体单体∶抗菌功能单体的摩尔比为0.5∶1～1∶0.5。

利用凝胶渗透色谱(GPC)来表征大分子链改性试剂的分子量，GPC结果为22700g/mol。

(3)纤维素抗菌材料的制备

以棉纤维为原料(1g)，利用在-12.5℃下预冷却的含7wt％氢氧化钠和12wt％尿素的水溶液(50mL)作为溶剂，配置一定浓度的纤维素溶液(30～200mL)。

随后，将步骤(2)制备的PIL大分子改性剂(1g)溶解于上述纤维素溶液中，控制PIL大分子链∶纤维素的质量比为1∶20，升温至40℃进行反应，最终获得具有良好抗生素吸附能力和抗菌能力的PIL修饰的功能性纤维素凝胶材料。

采用傅氏转换红外线光谱(FTIR)鉴定，在1538cm^-1和1577cm^-1为咪唑环，在3313cm^-1为OH，1426cm^-1为C-H。

生物相容性实验：用293T cells作生物相容性实验，采用CCK8细胞增殖检测，结果为细胞的相对生存率95％。

吸附实验：取10mg纤维素抗菌材料，置于200mL四环素(200mg/L)，室温搅拌24h，通过紫外测试获得吸附前后溶液浓度，计算得到吸附量为461mg/g。

此外，通过测量抑菌圈大小来评价样品的抗菌性能：采用抑菌圈试验研究纤维素改性材料对大肠杆菌的抗菌性能，获得结果为抑菌圈直径为11.7mm。

实施例2

一种纤维素抗菌材料的制备方法，与实施例1的基本相同，区别在于：在步骤(1)中采用环氧溴丙烷替代环氧氯丙烷，具体为：

将1-乙烯基咪唑(1.88g，20mmol)和环氧溴丙烷(2.74g，20mmol)在烧瓶中混合，并在氮气氛下在35℃下搅拌24h。用丙酮(5×60mL)洗涤沉淀物，并在真空下干燥以获得深红色固体[GVIM]Br，溴化1-环氧丙基-3-乙烯基咪唑。

[GVIM]Br的核磁表征数据为：

¹H NMR(300MHz,D₂O,TMS):δ1.22(m,1H),2.04(s,2H),3.31(d,2H),5.44(d,1H),5.83(q,2H),7.17(q,1H),7.68(t,1H),7.84(t,1H)。

实施例3

一种纤维素抗菌材料的制备方法，与实施例1的基本相同，区别在于：在步骤(1)中还进行了离子交换，将氯化1-环氧丙基-3-乙烯基咪唑置于AgNO₃水溶液中，常温反应24h，反应结束用去离子水洗涤。

实施例4

一种纤维素抗菌材料的制备方法，与实施例1的基本相同，区别在于：在步骤(2)中聚合反应的温度为50℃。

实施例5

一种纤维素抗菌材料的制备方法，与实施例1的基本相同，区别在于：在步骤(2)中聚合反应的温度为80℃；在步骤(3)中，PIL大分子改性剂与纤维素的反应温度为20℃。

实施例6

一种纤维素抗菌材料的制备方法，与实施例1的基本相同，区别在于：在步骤(3)中控制PIL大分子链∶纤维素的质量比为3∶5，PIL大分子改性剂与纤维素的反应温度为40℃。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。