经纳米壳聚糖、聚乙烯醇、聚乙二醇改性并经过伽马射线处理的细菌纤维素的物理化学性质与机械性能

《Radiation Physics and Chemistry》：Physico-chemical and mechanical properties of modified bacterial cellulose using nanochitosan, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, and treated by gamma irradiation

　　

伊萨尼·汉达扬蒂|达尔马万·达尔维斯|耶西·德斯米亚蒂|法拉·努尔利达尔|里卡·赫里亚尼|阿德·莱斯塔里·尤努斯|迪安·普里巴迪·佩尔卡萨|穆罕默德·法贾尔·桑贾亚|苏桑托·苏桑托|亨迪格·威纳尔诺

印度尼西亚南雅加达贾加卡萨，潘查希拉大学药学院，药物科学硕士项目

摘要

本研究探讨了纳米壳聚糖、聚乙烯醇、聚乙二醇以及伽马射线对细菌纤维素特性的影响。通过将冷冻干燥后的细菌纤维素膜浸泡在不同配比的纳米壳聚糖、聚乙烯醇和聚乙二醇溶液中，再经过15和25 kGy的伽马射线处理，制备出了多种细菌纤维素复合材料。傅里叶变换红外光谱、热重分析以及X射线衍射结果显示，这三种物质已成功融入细菌纤维素中。扫描电子显微镜观察表明，该薄膜由细小的纤维构成，呈三维交联结构，平均孔径为0.5至20微米。经过15 kGy伽马射线处理的含有纳米壳聚糖、聚乙烯醇和聚乙二醇的复合材料，其孔隙更为致密，且力学性能更优，模量更低，延展性更高。这些研究结果为了解纳米壳聚糖、聚乙烯醇和聚乙二醇的引入以及伽马射线处理如何影响细菌纤维素的物理化学和力学性能提供了重要依据。

引言

细菌纤维素是一种具有优异力学性能的天然聚合物，但干燥后的细菌纤维素存在弹性差、易撕裂的缺陷（Potivara和Phisalaphong，2019）。因此，其在应用开发方面面临诸多限制。为了改善其物理化学和力学性能，需要通过引入合适材料对其进行改性。聚乙烯醇是一种亲水性聚合物，因其与人体组织的生物相容性而被广泛用于医疗和制药领域（Teodorescu等人，2019）。对聚乙烯醇溶液进行伽马射线处理后，可通过化学交联形成不溶于水但能吸水的三维网络结构（Rosiak，1998；Corkovi等人，2021）。

塑料izers如聚乙二醇，作为一种聚合物，几十年来一直被用于医疗、制药、化妆品和食品工业中，作为添加剂来提升聚合物的弹性，增强聚合物链的柔韧性（Sun等人，2018；Zhou和Wang，2021）。有研究表明，在聚氨酯泡沫中加入聚乙二醇400可提高泡沫的柔韧性，但同时也会降低其抗拉强度、屈服强度以及热稳定性（Neswati等人，2023）。

纳米壳聚糖是一种新型材料，其与几丁质和壳聚糖相比，对各类致病菌的抑制作用更强（Chandrasekaran等人，2020）。Alqahtani等人（2020）指出，纳米壳聚糖对多种世界卫生组织认定的致病菌具有抑制作用。

伽马射线属于波长最短、能量最高的电磁辐射。当材料受到伽马射线照射时，会生成自由基，进而引发材料的物理、化学和生物学变化（Chieng等人，2019；Muradov等人，2023）。伽马射线还被用作热敏感材料的高效杀菌手段，这类材料包括医疗产品（Berejka和Kaluska，2008）、药品（Razem，2008）、药物（Marciniec和Dettlaff，2008）、牙科支架（de Sousa Iwamoto等人，2022），以及化妆品及其原料的消毒处理（Naki Sivri等人，2006）。

本研究分析了纳米壳聚糖、聚乙烯醇、聚乙二醇以及伽马射线处理对细菌纤维素物理化学和力学性能的影响。通过引入这些物质并对细菌纤维素进行改性，有望提升其弹性与力学性能，从而增强其在牙周病治疗中作为夹板材料的适用性。

内容节选

材料

木醋杆菌葡萄酒菌株B-404由印度尼西亚微生物收藏中心提供；聚乙烯醇72000购自默克公司；聚乙二醇400同样来自默克公司；壳聚糖则由BRIN实验室提供；葡萄糖来自默克公司；蛋白胨来自Difco公司；酵母也来自Difco公司；磷酸氢二钠来自默克公司；柠檬酸同样来自默克公司；蔗糖来自Rose Brand公司；硫酸铵来自默克公司；冰醋酸来自默克公司；氢氧化钠也来自默克公司；吐温80来自默克公司；所有实验均使用去离子水。

Hestrin Schramm培养基、HS琼脂及初始培养基的制备

HS培养基的制备方法是先将2.0克葡萄糖、0.5克蛋白胨、0.5克

木醋杆菌的活化与增殖

在本研究中，木醋杆菌在HS培养基中培养，以生成细菌纤维素膜。HS琼脂是一种常用的培养基，可用于培养木醋杆菌以及其他能够产生纤维素的细菌。图2a和图2b分别展示了添加了木醋杆菌与未添加木醋杆菌的HS琼脂培养效果。从图中可以看出，木醋杆菌在HS琼脂上生长状况良好，且未检测到其他细菌的污染现象。

图2c和图2d则展示了在初始培养基和HS培养基中发酵过程中细菌纤维素膜的形成情况

结论

本研究分析了纳米壳聚糖、聚乙烯醇、聚乙二醇以及伽马射线处理对细菌纤维素特性的影响。傅里叶变换红外光谱、热重分析以及X射线衍射数据均证明，这三种物质已成功融入细菌纤维素中。此外，扫描电子显微镜图像显示，经过处理的细菌纤维素复合材料结构更为致密。而伽马射线处理似乎会降低细菌纤维素的凝胶分数及力学性能，表明伽马射线会导致细菌纤维素的结构降解。

作者贡献说明

法拉·努尔利达尔：文章撰写与修改、验证、正式分析、方法设计、数据整理。穆罕默德·法贾尔·桑贾亚：正式分析、概念设计、方法设计、验证、文章撰写与修改、数据整理。迪安·普里巴迪·佩尔卡萨：概念设计、验证、数据整理、文章撰写与修改、方法设计。里卡·赫里亚尼：方法设计、数据整理、文章撰写与修改、正式分析、验证。苏桑托·苏桑托：方法设计、概念设计、文章撰写——

未引用参考文献

Richard等人，2017年；Divya等人，2016年；Ananda等人，2021年；Zhijiang和Kim，2010年；Kaplan等人，2005年；Patricia和Vázquez，2021年；Murugesan等人，2020年；Mohammad等人，2014年；Neswati和Arief，2023年；Nowak和Jakubczyk，2020年。

数据可用性说明

本研究中不存在任何利益冲突。

关于写作过程中生成式AI及AI辅助技术的声明

在撰写本文的过程中，作者使用了QuillBot和Grammarly工具来检查手稿的语法错误。在使用这些工具之后，作者对内容进行了必要的修改，并对最终发表的内容负全部责任。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联关系。

致谢

作者感谢国际原子能机构（IAEA）在“纳米技术中辐射处理益处提升”协调研究项目F22070项下为本研究提供的资金支持，该项目的相关研究合同编号为23150；同时也要感谢印度尼西亚的国家研究与创新局为这项研究提供的支持。此外，作者还感谢古纳达玛大学协助提供傅里叶变换红外光谱分析设备