细菌纳米纤维素水凝胶用于退热降温贴的潜力

洪思仪， 魏 斌

（1. 华东师范大学 第二附属中学，上海 201203；2. 东华大学 化学化工与生物工程学院 微生物工程与工业生物技术研究组，上海 201620）

细菌纳米纤维素水凝胶用于退热降温贴的潜力

洪思仪1， 魏 斌2

（1. 华东师范大学 第二附属中学，上海 201203；2. 东华大学 化学化工与生物工程学院 微生物工程与工业生物技术研究组，上海 201620）

评估了细菌纳米纤维素水凝胶膜作为发热辅助治疗及应急物理降温用的退热醒脑贴的可行性。结果发现该纳米纤维素水凝胶含水率高，其所含水基本上是以自由水的形式存在。该材料的水分散失率远高于市售退热贴，水分蒸发能有效带走热量，特别适合用于退热醒脑贴。今后可通过负载退热药物等功能因子开发绿色环保的功能性医药材料用于医疗领域。该退热贴的制备方法简便，易操作，对环境友好，具有良好的应用前景。

细菌纳米纤维素；水凝胶；退热贴；表征

细菌纳米纤维素（bacterial nanocellulose，BNC）和植物纤维素一样都是由D-葡萄糖通过β-1,4-糖苷键结合成的直链葡聚糖，但是它又具有许多优异特性，譬如独特的纳米纤维网状结构赋予其与众不同的极高湿强和高持水性，在人工血管、抗菌敷料、组织工程支架等生物医学材料[1-6]及高级功能材料[7]等多个领域已成为国内外研究热点。

目前的退热醒脑贴主要以无纺布为基底，上面涂覆一层自粘性的高分子亲水凝胶，再覆盖一层隔离保护膜[8-9]。其中亲水性高分子凝胶层中含有天然清凉芳香挥发性植物精油，是一种巴布剂，研究表明这种退热醒脑贴具有一定的退热醒脑的作用[10-11]。但是其中的高分子凝胶层所含的自由水很少，并不能通过水分的蒸发真正带走皮肤热量，达到物理降温的目的，而只有精油所带来的“清凉”感觉。有报道发现这种退热醒脑贴的有效成分透皮效果并不明显[12]。由于该巴布剂所用高分子凝胶的生物相容性有待提高，因此退热贴也会引起一些过敏反应等[13]。因此，亟需寻找开发新的水凝胶材料以升级换代目前的退热贴产品。

BNC独特的三维纳米纤维网状结构内部有很多“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，这些水分主要以自由水的形式存在。本研究拟利用该材料特性，以BNC作为退热醒脑贴的基底，期望通过其中富含的自由水的蒸发带走发烧病人热量。文中研究评估了38和39℃两种温度以及不同湿度环境下的失水效果，以反映带走热量的能力。

1 实验

1.1材料与试剂

木葡糖酸醋杆菌（Gluconacetobacter xylinus ATCC23770）实验室自备菌种。

甘露醇、柠檬酸、氢氧化钠、无水乙醇、酵母浸膏粉、胰蛋白胨、薄荷、龙脑均购自国药集团化学试剂有限公司。市售退热贴购自药店，广州市诗丽雅美容化妆品有限公司生产。

1.2基本培养基

1）木葡糖酸醋杆菌斜面培养基：甘露醇25 g/L，胰蛋白胨3 g/L，酵母浸膏5 g/L，琼脂20 g/L，pH 5.0。121℃灭菌20 min。

2）木葡糖酸醋杆菌液体种子和发酵培养基：除了不加琼脂，其它成分与斜面培养基相同。

1.3种子复壮

复壮所用培养基为液体种子培养基，配制方法见基本培养基。取液体种子培养基一瓶及活化过的菌株斜面一支，在无菌操作下，用接种环挑取两环接入100 mL液体培养基中。将其摇匀后，放入摇瓶培养箱内，在30℃，转速160 r/min培养12 h。

1.4细菌纤维素膜的制备

将以上培养好的种子液以6%（V/V）的接种量，接入到液体发酵培养基中，30℃分别静置培养4、7、10天，在培养基和空气的交界面收获凝胶状细菌纤维素膜。

1.5细菌纤维素膜的处理

将静态培养收获的细菌纤维素膜浸泡在1%（w/V）的NaOH水溶液中80℃水浴，以除去其中培养基组分及菌体，最后用去离子水反复冲洗至洗液pH值为中性，此时膜呈白色透明状，然后将制得的细菌纤维素膜切成1×3 cm、2×4.5 cm的长条后放入无菌去离子水中待用。

1.6细菌纤维素退热醒脑贴模拟产品的制备[14]

退热醒脑药用液组分包括：薄荷1%，龙脑（冰片）2%，乙醇15%，其余为去离子水。将清热醒脑药液煮沸后，放入以上获得的BNC膜片，采用直接热浸渍的方法制备（即将药液煮沸后放入膜片浸渍），浸渍20 min后，冷却，拭去表面游离水即得退热醒脑模拟贴。

1.7测定退热贴的失重曲线

1.7.1 恒温条件下测定退热贴的失重曲线

将培养时间为4、7、10天的BNC膜所制备的退热醒脑贴与市售退热贴，裁成尺寸为2×4.5 cm，置于培养皿中，放入恒温培养箱中，在38和39℃恒温条件下（环境湿度约20%）测定不同退热贴在0～6 h的质量变化情况。

1.7.2 恒温恒湿条件下测定退热贴的失重曲线

将培养时间为4、7、10天的BNC膜所制备的退热醒脑贴与市售退热贴，裁成尺寸为2×4.5 cm，置于培养皿中，放入恒温恒湿培养箱中，在39℃恒温，环境相对湿度控制在60%～70%下测定不同退热贴在0～5 h的质量变化情况。

1.8恒温条件下测定退热贴包裹的温度计的升温曲线

将培养时间为4、7、10天的BNC膜所制备的退热醒脑贴与市售退热贴，裁成尺寸为1×3 cm，包裹在水银温度计的液泡上，然后放置于恒温箱内，分别在38和39℃恒温下（环境湿度约20%）测定不同退热贴所包裹的温度计在0～5 h的示数变化情况。

1.9计算分析

质量损失率根据公式（1）计算，水分散失速率根据公式（2）计算。

式中，mw是退热贴的初始质量（g），ms是退热贴失水后的质量（g），质量损失率w为退热贴0 h的初始相对质量（100%），质量损失率s为退热贴在t h失水后的质量损失率（%），t为时间（h）。

2 结果与讨论

2.1恒温条件下测定退热贴的失重曲线

图1表明在38℃下，前2 h内各种退热贴的水分散失率都比较大。4 h后市售退热贴的质量几乎无变化，培养4天获得的BNC膜制备的退热贴中的水分近乎蒸发完，质量接近零，而培养7天和10天的BNC膜中仍有少许水分可以蒸发。

表1显示前2 h内，市售退热贴的水分散失速率为每小时16.3%，而培养时间为4、7和10天所制备的BNC退热贴的散失速率分别为每小时36.5、17.1和21.1%，均高于市售退热贴。在6 h内，市售退热贴的水分平均散失速率为每小时9.1%，而培养时间为4、7和10天所制备的BNC退热贴的水分平均散失速率则分别为每小时16.6、16.1和15.8%，是市售退热贴的1.8、1.8和1.7倍。该结果表明BNC退热醒脑贴因水分蒸发而导致质量损失和水分散失速率均比市售退热贴的大，预示BNC退热醒脑贴的更多水分蒸发可以带走皮肤热量，从而起到更好的退热效果。市售退热贴6 h的质量总损失率为54.3%，BNC退热贴的都在94%以上。该结果还表明，培养4天获得的BNC膜制备的退热贴的水分散失速率最大，培养7天和10天获得的BNC膜反而差异不大。这有可能是培养初期形成的膜的纤维网络结构不如后期的致密，因此内含的水分更易蒸发。实验中也考察了BNC膜的抗压保水性，以人工手压挤水10 min后，膜中含水率仍高达90%以上，说明该膜的保水性很好。

图1 不同退热贴在38℃恒温下的失重曲线

表1 不同退热贴在38℃时6 h内的水分散失情况

图2表明在39℃下，实验前2 h各种退热贴的水分散失率与38℃时的情况一样，都比较大。其中市售退热贴的水分散失速率为每小时19.6%，培养时间为4、7和10天所制备的BNC退热贴的散失速率则分别为每小时36.8%、27.9%和21.3%。在6 h内，市售退热贴的水分平均散失速率为每小时9.3%，而培养时间为4、7和10天所制备的BNC退热贴的水分平均散失速率则分别为每小时16.6%、16.4%和16.1%，均约为市售退热贴的1.8倍。该结果同样表明，在39℃时，BNC退热醒脑贴因水分蒸发而导致质量损失比市售退热贴的大，BNC退热醒脑贴有更多的水分蒸发带走皮肤的热量，从而能起到更好的退热效果。

图2 不同退热贴在39℃恒温下的失重曲线

图3 不同退热贴在39℃恒温和60%～70%环境相对湿度下的失重曲线

2.2恒温恒湿条件下退热贴的失重曲线

图3表明在温度为39℃和环境相对湿度60%～70%时，由于环境湿度大，各种退热贴的水分散失率都比较小，但是BNC退热贴的水分散失率仍然比市售退热贴的大。其中市售退热贴的水分散失速率为每小时3.1 %，培养时间为4、7和10天所制备的BNC退热贴的散失速率则分别为每小时8.9%、6.5%和5.1%，是市售退热贴的2.9、2.1和1.6倍。该结果表明在高环境湿度的条件下，BNC退热醒脑贴内的自由水更容易蒸发，蒸发可以带走皮肤的热量，从而起到更好的退热效果。

2.3恒温条件下测定退热贴包裹的温度计的升温曲线

图4表明在38℃下，市售退热贴所包裹的温度计示数变化率在实验前2 h变化较大，其变化率为8.75℃/h，而培养时间为4、7和10天所制备的BNC退热贴所包裹的温度计示数变化率为4℃/h、4.25℃/h和2.5℃/h，明显比市售退热贴升温慢，在前3 h内其变化率分别为6.3℃/h、6℃/h和6℃/h。在38℃时，包裹着BNC退热醒脑贴的温度计示数相比包裹市售退热贴的上升缓慢，培养时间越长、越厚的BNC退热贴所包裹的温度计示数上升的越缓慢。其原因一方面可能是由于BNC退热醒脑贴有更多的水分蒸发带走热量，而起到更好的退热效果；另一方面也可能是由于BNC膜相对于市售退热贴凝胶的热传导较慢。

图4 包裹了不同退热贴的温度计在38℃恒温下的升温曲线图

图5 包裹了不同退热贴的温度计在39℃恒温下的升温曲线图

图5表明在39℃下，各种退热贴所包裹的温度计示数变化率在实验前3 h变化较大。1 h内市售退热贴所包裹的温度计示数变化率为4.6℃/h，而培养时间为4、7、10天所制备的BNC退热贴所包裹的温度计示数变化率则分别为4.7℃/h、4℃/h和3℃/h；2 h内市售退热贴所包裹的温度计示数变化率为7.25℃/h，而培养时间为4、7、10天所制备的BNC退热贴所包裹的温度计示数变化率则分别为6.5℃/h、6.5℃/h和5.5℃/h。均说明本发明的退热贴能比市售退热贴带走更多热量；3 h内，市售退热贴所包裹的温度计示数平均变化率为5.5℃/h，而培养时间为4、7、10天所制备的BNC退热贴所包裹的温度计示数平均变化率则分别为6℃/h、6.5℃/h和6℃/h。这是由于退热贴中的水分大量散失后，不能再通过水分的蒸发带走热量，来延缓温度的上升；此时退热贴内外环境温度几乎一致，不再存在差异。虽然38℃时，包裹着由培养10天的BNC膜所制成退热醒脑贴的温度计示数上升最缓慢，但是在39℃时这种差别不是很大。

3 结论

本研究发现BNC水凝胶膜在用于制备发热辅助治疗及应急物理降温的退热贴上具有很好的潜力。该细菌纤维素基退热醒脑贴含水率高，且以自由水的形式存在，水分蒸发能有效带走人体热量，降低体温，今后可进一步负载清热醒脑的药物，以缓解由发热引起的头痛、头晕等不适应症状。该膜质地柔软轻便，可根据实际使用部位的形状和面积剪裁成各种形状。以BNC膜制备的退热贴不仅生物相容性好，不粘连也不刺激皮肤，而且安全环保，丢弃后在环境中能迅速降解，可作为一种绿色环保的功能性医药材料。该退热贴的制备方法简便，易操作，对环境友好，因此在生物医用材料行业具有非常好的应用前景。

[1] Hong Feng, Wei Bin, Chen Lin. Preliminary study on biosynthesis of bacterial nanocellulose tubes in a novel double-silicone-tube bioreactor for potential vascular prosthesis[J]. BioMed Research International, 2015, Article ID 560365, 9 pages, 2015. doi:10.1155/2015/560365.

[2] 洪枫, 李毓陵, 兰水, 等. 一种复合结构人造血管的静态制备方法: 中国, ZL201210120998.X[P]. 2012-04-23.

[3] 洪枫, 洪思仪, 陈琳, 等. 一种制备中空异形细菌纤维素材料的装置及方法: 中国, ZL201010270524.4[P]. 2010-09-02.

[4] Bin Wei, Guang Yang, Feng Hong. Preparation and evaluation of a kind of bacterial cellulose dry films with antibacterial properties[J]. Carbohydrate Polymers, 2011, 84(1): 533-538.

[5] Nathan Petersen, Paul Gatenholm. Bacterial cellulose-based materials and medical devices: current state and perspectives[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2011, 91(5): 1277-1286.

[6] 谭玉静, 洪枫. 细菌纤维素在生物医学材料中应用的研究进展[J]. 中国生物工程杂志, 2007, 27(4): 126-131.

[7] Jiang Gaopeng, Zhang Jing, Qiao Jinli, et al. Bacterial nanocellulose/nafion composite membranes for low temperature polymer electrolyte fuel cells[J]. Journal of Power Sources, 2015, 273: 697-706.

[8] 孙素兰, 叶青山, 黄河清, 等. 退热贴凝胶剂制备工艺的研究[J].时珍国医国药, 2007, 18(10): 2498-2499.

[9] 黄玮, 刘新星, 童真. 聚丙烯酸钠水凝胶基材退热贴的制备及其性能[J]. 功能高分子学报, 2007, 19-20(2): 216-219.

[10] 夏新红, 王琦, 刘昌玉, 等. 小儿退热贴治疗外感发热的临床研究[J]. 中国中西医结合杂志, 2001, 21(2): 99-101.

[11] 华能, 刘昌玉, 王琦, 等. 小儿退热贴退热作用的实验研究[J]. 医药导报, 2002, 21(9): 540-541.

[12] 韩建伟, 乔明, 刘新国. 消炎退热贴离体透皮吸收试验[J]. 湖北中医杂志, 2006, 28(7): 52-53.

[13] 王洁, 寇俊萍. 退热贴的急性毒性、刺激性及过敏性试验观察[J]. 药学与临床研究, 2007, 15(2): 165-166.

[14] 洪枫, 魏斌, 杨光. 用于发热辅助治疗及应急物理降温的BC退热醒脑贴及其制备: 中国, ZL201010174896.7[P]. 2010-05-18.

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

高等学校学科创新引智计划（B07024）。

洪思仪（1999~），女，上海人；研究方向：纳米纤维素生物医用产品的制备。814743803@qq.com