細(xì)菌納米纖維素水凝膠用于退熱降溫貼的潛力

洪思儀， 魏 斌

（1. 華東師范大學(xué) 第二附屬中學(xué)，上海 201203；2. 東華大學(xué) 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院 微生物工程與工業(yè)生物技術(shù)研究組，上海 201620）

細(xì)菌納米纖維素水凝膠用于退熱降溫貼的潛力

洪思儀1， 魏 斌2

（1. 華東師范大學(xué) 第二附屬中學(xué)，上海 201203；2. 東華大學(xué) 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院 微生物工程與工業(yè)生物技術(shù)研究組，上海 201620）

評估了細(xì)菌納米纖維素水凝膠膜作為發(fā)熱輔助治療及應(yīng)急物理降溫用的退熱醒腦貼的可行性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該納米纖維素水凝膠含水率高，其所含水基本上是以自由水的形式存在。該材料的水分散失率遠(yuǎn)高于市售退熱貼，水分蒸發(fā)能有效帶走熱量，特別適合用于退熱醒腦貼。今后可通過負(fù)載退熱藥物等功能因子開發(fā)綠色環(huán)保的功能性醫(yī)藥材料用于醫(yī)療領(lǐng)域。該退熱貼的制備方法簡便，易操作，對環(huán)境友好，具有良好的應(yīng)用前景。

細(xì)菌納米纖維素；水凝膠；退熱貼；表征

細(xì)菌納米纖維素（bacterial nanocellulose，BNC）和植物纖維素一樣都是由D-葡萄糖通過β-1,4-糖苷鍵結(jié)合成的直鏈葡聚糖，但是它又具有許多優(yōu)異特性，譬如獨特的納米纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)賦予其與眾不同的極高濕強(qiáng)和高持水性，在人工血管、抗菌敷料、組織工程支架等生物醫(yī)學(xué)材料[1-6]及高級功能材料[7]等多個領(lǐng)域已成為國內(nèi)外研究熱點。

目前的退熱醒腦貼主要以無紡布為基底，上面涂覆一層自粘性的高分子親水凝膠，再覆蓋一層隔離保護(hù)膜[8-9]。其中親水性高分子凝膠層中含有天然清涼芳香揮發(fā)性植物精油，是一種巴布劑，研究表明這種退熱醒腦貼具有一定的退熱醒腦的作用[10-11]。但是其中的高分子凝膠層所含的自由水很少，并不能通過水分的蒸發(fā)真正帶走皮膚熱量，達(dá)到物理降溫的目的，而只有精油所帶來的“清涼”感覺。有報道發(fā)現(xiàn)這種退熱醒腦貼的有效成分透皮效果并不明顯[12]。由于該巴布劑所用高分子凝膠的生物相容性有待提高，因此退熱貼也會引起一些過敏反應(yīng)等[13]。因此，亟需尋找開發(fā)新的水凝膠材料以升級換代目前的退熱貼產(chǎn)品。

BNC獨特的三維納米纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部有很多“孔道”，有良好的透水和持水性能，能吸收60～700倍于其干重的水分，這些水分主要以自由水的形式存在。本研究擬利用該材料特性，以BNC作為退熱醒腦貼的基底，期望通過其中富含的自由水的蒸發(fā)帶走發(fā)燒病人熱量。文中研究評估了38和39℃兩種溫度以及不同濕度環(huán)境下的失水效果，以反映帶走熱量的能力。

1 實驗

1.1材料與試劑

木葡糖酸醋桿菌（Gluconacetobacter xylinus ATCC23770）實驗室自備菌種。

甘露醇、檸檬酸、氫氧化鈉、無水乙醇、酵母浸膏粉、胰蛋白胨、薄荷、龍腦均購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。市售退熱貼購自藥店，廣州市詩麗雅美容化妝品有限公司生產(chǎn)。

1.2基本培養(yǎng)基

1）木葡糖酸醋桿菌斜面培養(yǎng)基：甘露醇25 g/L，胰蛋白胨3 g/L，酵母浸膏5 g/L，瓊脂20 g/L，pH 5.0。121℃滅菌20 min。

2）木葡糖酸醋桿菌液體種子和發(fā)酵培養(yǎng)基：除了不加瓊脂，其它成分與斜面培養(yǎng)基相同。

1.3種子復(fù)壯

復(fù)壯所用培養(yǎng)基為液體種子培養(yǎng)基，配制方法見基本培養(yǎng)基。取液體種子培養(yǎng)基一瓶及活化過的菌株斜面一支，在無菌操作下，用接種環(huán)挑取兩環(huán)接入100 mL液體培養(yǎng)基中。將其搖勻后，放入搖瓶培養(yǎng)箱內(nèi)，在30℃，轉(zhuǎn)速160 r/min培養(yǎng)12 h。

1.4細(xì)菌纖維素膜的制備

將以上培養(yǎng)好的種子液以6%（V/V）的接種量，接入到液體發(fā)酵培養(yǎng)基中，30℃分別靜置培養(yǎng)4、7、10天，在培養(yǎng)基和空氣的交界面收獲凝膠狀細(xì)菌纖維素膜。

1.5細(xì)菌纖維素膜的處理

將靜態(tài)培養(yǎng)收獲的細(xì)菌纖維素膜浸泡在1%（w/V）的NaOH水溶液中80℃水浴，以除去其中培養(yǎng)基組分及菌體，最后用去離子水反復(fù)沖洗至洗液pH值為中性，此時膜呈白色透明狀，然后將制得的細(xì)菌纖維素膜切成1×3 cm、2×4.5 cm的長條后放入無菌去離子水中待用。

1.6細(xì)菌纖維素退熱醒腦貼模擬產(chǎn)品的制備[14]

退熱醒腦藥用液組分包括：薄荷1%，龍腦（冰片）2%，乙醇15%，其余為去離子水。將清熱醒腦藥液煮沸后，放入以上獲得的BNC膜片，采用直接熱浸漬的方法制備（即將藥液煮沸后放入膜片浸漬），浸漬20 min后，冷卻，拭去表面游離水即得退熱醒腦模擬貼。

1.7測定退熱貼的失重曲線

1.7.1 恒溫條件下測定退熱貼的失重曲線

將培養(yǎng)時間為4、7、10天的BNC膜所制備的退熱醒腦貼與市售退熱貼，裁成尺寸為2×4.5 cm，置于培養(yǎng)皿中，放入恒溫培養(yǎng)箱中，在38和39℃恒溫條件下（環(huán)境濕度約20%）測定不同退熱貼在0～6 h的質(zhì)量變化情況。

1.7.2 恒溫恒濕條件下測定退熱貼的失重曲線

將培養(yǎng)時間為4、7、10天的BNC膜所制備的退熱醒腦貼與市售退熱貼，裁成尺寸為2×4.5 cm，置于培養(yǎng)皿中，放入恒溫恒濕培養(yǎng)箱中，在39℃恒溫，環(huán)境相對濕度控制在60%～70%下測定不同退熱貼在0～5 h的質(zhì)量變化情況。

1.8恒溫條件下測定退熱貼包裹的溫度計的升溫曲線

將培養(yǎng)時間為4、7、10天的BNC膜所制備的退熱醒腦貼與市售退熱貼，裁成尺寸為1×3 cm，包裹在水銀溫度計的液泡上，然后放置于恒溫箱內(nèi)，分別在38和39℃恒溫下（環(huán)境濕度約20%）測定不同退熱貼所包裹的溫度計在0～5 h的示數(shù)變化情況。

1.9計算分析

質(zhì)量損失率根據(jù)公式（1）計算，水分散失速率根據(jù)公式（2）計算。

式中，mw是退熱貼的初始質(zhì)量（g），ms是退熱貼失水后的質(zhì)量（g），質(zhì)量損失率w為退熱貼0 h的初始相對質(zhì)量（100%），質(zhì)量損失率s為退熱貼在t h失水后的質(zhì)量損失率（%），t為時間（h）。

2 結(jié)果與討論

2.1恒溫條件下測定退熱貼的失重曲線

圖1表明在38℃下，前2 h內(nèi)各種退熱貼的水分散失率都比較大。4 h后市售退熱貼的質(zhì)量幾乎無變化，培養(yǎng)4天獲得的BNC膜制備的退熱貼中的水分近乎蒸發(fā)完，質(zhì)量接近零，而培養(yǎng)7天和10天的BNC膜中仍有少許水分可以蒸發(fā)。

表1顯示前2 h內(nèi)，市售退熱貼的水分散失速率為每小時16.3%，而培養(yǎng)時間為4、7和10天所制備的BNC退熱貼的散失速率分別為每小時36.5、17.1和21.1%，均高于市售退熱貼。在6 h內(nèi)，市售退熱貼的水分平均散失速率為每小時9.1%，而培養(yǎng)時間為4、7和10天所制備的BNC退熱貼的水分平均散失速率則分別為每小時16.6、16.1和15.8%，是市售退熱貼的1.8、1.8和1.7倍。該結(jié)果表明BNC退熱醒腦貼因水分蒸發(fā)而導(dǎo)致質(zhì)量損失和水分散失速率均比市售退熱貼的大，預(yù)示BNC退熱醒腦貼的更多水分蒸發(fā)可以帶走皮膚熱量，從而起到更好的退熱效果。市售退熱貼6 h的質(zhì)量總損失率為54.3%，BNC退熱貼的都在94%以上。該結(jié)果還表明，培養(yǎng)4天獲得的BNC膜制備的退熱貼的水分散失速率最大，培養(yǎng)7天和10天獲得的BNC膜反而差異不大。這有可能是培養(yǎng)初期形成的膜的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不如后期的致密，因此內(nèi)含的水分更易蒸發(fā)。實驗中也考察了BNC膜的抗壓保水性，以人工手壓擠水10 min后，膜中含水率仍高達(dá)90%以上，說明該膜的保水性很好。

圖1 不同退熱貼在38℃恒溫下的失重曲線

表1 不同退熱貼在38℃時6 h內(nèi)的水分散失情況

圖2表明在39℃下，實驗前2 h各種退熱貼的水分散失率與38℃時的情況一樣，都比較大。其中市售退熱貼的水分散失速率為每小時19.6%，培養(yǎng)時間為4、7和10天所制備的BNC退熱貼的散失速率則分別為每小時36.8%、27.9%和21.3%。在6 h內(nèi)，市售退熱貼的水分平均散失速率為每小時9.3%，而培養(yǎng)時間為4、7和10天所制備的BNC退熱貼的水分平均散失速率則分別為每小時16.6%、16.4%和16.1%，均約為市售退熱貼的1.8倍。該結(jié)果同樣表明，在39℃時，BNC退熱醒腦貼因水分蒸發(fā)而導(dǎo)致質(zhì)量損失比市售退熱貼的大，BNC退熱醒腦貼有更多的水分蒸發(fā)帶走皮膚的熱量，從而能起到更好的退熱效果。

圖2 不同退熱貼在39℃恒溫下的失重曲線

圖3 不同退熱貼在39℃恒溫和60%～70%環(huán)境相對濕度下的失重曲線

2.2恒溫恒濕條件下退熱貼的失重曲線

圖3表明在溫度為39℃和環(huán)境相對濕度60%～70%時，由于環(huán)境濕度大，各種退熱貼的水分散失率都比較小，但是BNC退熱貼的水分散失率仍然比市售退熱貼的大。其中市售退熱貼的水分散失速率為每小時3.1 %，培養(yǎng)時間為4、7和10天所制備的BNC退熱貼的散失速率則分別為每小時8.9%、6.5%和5.1%，是市售退熱貼的2.9、2.1和1.6倍。該結(jié)果表明在高環(huán)境濕度的條件下，BNC退熱醒腦貼內(nèi)的自由水更容易蒸發(fā)，蒸發(fā)可以帶走皮膚的熱量，從而起到更好的退熱效果。

2.3恒溫條件下測定退熱貼包裹的溫度計的升溫曲線

圖4表明在38℃下，市售退熱貼所包裹的溫度計示數(shù)變化率在實驗前2 h變化較大，其變化率為8.75℃/h，而培養(yǎng)時間為4、7和10天所制備的BNC退熱貼所包裹的溫度計示數(shù)變化率為4℃/h、4.25℃/h和2.5℃/h，明顯比市售退熱貼升溫慢，在前3 h內(nèi)其變化率分別為6.3℃/h、6℃/h和6℃/h。在38℃時，包裹著BNC退熱醒腦貼的溫度計示數(shù)相比包裹市售退熱貼的上升緩慢，培養(yǎng)時間越長、越厚的BNC退熱貼所包裹的溫度計示數(shù)上升的越緩慢。其原因一方面可能是由于BNC退熱醒腦貼有更多的水分蒸發(fā)帶走熱量，而起到更好的退熱效果；另一方面也可能是由于BNC膜相對于市售退熱貼凝膠的熱傳導(dǎo)較慢。

圖4 包裹了不同退熱貼的溫度計在38℃恒溫下的升溫曲線圖

圖5 包裹了不同退熱貼的溫度計在39℃恒溫下的升溫曲線圖

圖5表明在39℃下，各種退熱貼所包裹的溫度計示數(shù)變化率在實驗前3 h變化較大。1 h內(nèi)市售退熱貼所包裹的溫度計示數(shù)變化率為4.6℃/h，而培養(yǎng)時間為4、7、10天所制備的BNC退熱貼所包裹的溫度計示數(shù)變化率則分別為4.7℃/h、4℃/h和3℃/h；2 h內(nèi)市售退熱貼所包裹的溫度計示數(shù)變化率為7.25℃/h，而培養(yǎng)時間為4、7、10天所制備的BNC退熱貼所包裹的溫度計示數(shù)變化率則分別為6.5℃/h、6.5℃/h和5.5℃/h。均說明本發(fā)明的退熱貼能比市售退熱貼帶走更多熱量；3 h內(nèi)，市售退熱貼所包裹的溫度計示數(shù)平均變化率為5.5℃/h，而培養(yǎng)時間為4、7、10天所制備的BNC退熱貼所包裹的溫度計示數(shù)平均變化率則分別為6℃/h、6.5℃/h和6℃/h。這是由于退熱貼中的水分大量散失后，不能再通過水分的蒸發(fā)帶走熱量，來延緩溫度的上升；此時退熱貼內(nèi)外環(huán)境溫度幾乎一致，不再存在差異。雖然38℃時，包裹著由培養(yǎng)10天的BNC膜所制成退熱醒腦貼的溫度計示數(shù)上升最緩慢，但是在39℃時這種差別不是很大。

3 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)BNC水凝膠膜在用于制備發(fā)熱輔助治療及應(yīng)急物理降溫的退熱貼上具有很好的潛力。該細(xì)菌纖維素基退熱醒腦貼含水率高，且以自由水的形式存在，水分蒸發(fā)能有效帶走人體熱量，降低體溫，今后可進(jìn)一步負(fù)載清熱醒腦的藥物，以緩解由發(fā)熱引起的頭痛、頭暈等不適應(yīng)癥狀。該膜質(zhì)地柔軟輕便，可根據(jù)實際使用部位的形狀和面積剪裁成各種形狀。以BNC膜制備的退熱貼不僅生物相容性好，不粘連也不刺激皮膚，而且安全環(huán)保，丟棄后在環(huán)境中能迅速降解，可作為一種綠色環(huán)保的功能性醫(yī)藥材料。該退熱貼的制備方法簡便，易操作，對環(huán)境友好，因此在生物醫(yī)用材料行業(yè)具有非常好的應(yīng)用前景。

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Potential of Bacterial Nanocellulose Hydrogel in Application as Defervescence Gel Pastes

HONG Si-yi1, WEI Bin2
（1. No.2 Secondary School Attached to East China Normal University, Shanghai 201203, China; 2. College of Chemistry, Chemical Engineering and Biotechnology, Donghua University, Shanghai 201620, China）

Bacterial nanocellulose (BNC) hydrogel sheet was evaluated and characterized as a potential functional gel paste used for auxiliary treatment and emergent physical defervescence of a fever patient. The BNC gel sheet contained high water content, where the water basically existed in free form. The hydrogel possessed higher water loss rate than a commercial product of defervescence gel paste. Water evaporation of the hydrogel could effectively take away heat, indicating that the gel was specifically suitable for production of defervescence gel pastes. It was feasible to load functional factors such as antipyretic drugs for the development of “green”functional medicine materials in the medical treatment field. Development of the defervescence paste with the BNC hydrogel had many advantages, for instance, the preparation procedure of the defervescence gel pastes was simple and convenient, as well as it was environmentally friendly, all of which showed great potential in the application as a commercial product for the auxiliary defervescence treatment of headache and fever in the future.

bacterial nanocellulose; hydrogel; defervescence gel paste; characterization

R318.08；R944

A

1004-8405(2015)04-0062-06

10.16561/j.cnki.xws.2015.04.06

2015-07-12

高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃（B07024）。

洪思儀（1999~），女，上海人；研究方向：納米纖維素生物醫(yī)用產(chǎn)品的制備。814743803@qq.com