基于细菌纤维素的有序微纳组装

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1、独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数

2、据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年华中科技大学硕士学位论文1绪论细菌纤维素(BacterialCellulose,BC)自从1886年由英国科学家Brown发现至今，作为一种天然的纳米纤维受到国内外学者的广泛关注。随着纳米纤维特性的研究，其应用领域得到极大扩展，同时对纳米纤维的制备组装技术提出了新的要求,而细菌纤维素作为生物合成的纳米纤维，其有序组装研究甚少。本论

3、文旨在利用各种物理和化学方法，以微沟槽，微流控和分子模板为载体，对产纤维素的细菌运动方向进行控制，从而使细菌纤维素纳米纤维有序组装，是一项独创的、新颖的、前沿的课题。1.1细菌纤维素的研究现状纤维素是自然界中含量极其丰富的生物高分子材料，密切影响着人类的生存与发展。它不仅仅应用于纺织等一些基础工业领域，还可以用来研究发展新型高性能高分子复合材料，在诸多领域发挥重要作用。对这种取之不尽用之不竭的天然高分子的研究和开发，对于解决当今世界面临的人口、资源、环境和粮食四大问题具有[1]战略意义。自然界的纤维素绝大部分由植物产生，主要通过树木、棉

4、花等通过光合作用合成，但少数菌属微生物也能合成纤维素，如醋酸菌属(Acetobacter)、土壤杆菌属(Agrobacterium)、假单细胞杆菌属(Pseudomonas)、无色杆菌属(Achromobacter)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、根瘤菌属(Rhizobium)和八叠球菌属(Sarcina)。其中醋酸菌属中的木醋杆菌(AcetobacterXylinum)生产细菌纤维素能力最强，被广大学者做为研[2]究细菌纤维素合成、分泌过程以及分析纤维素结构的模型菌株。尽管细菌纤维素与其它纤维素一样都是具有相同的结构单元，但是

5、其具有与其它纤维素不同的高级结构特点和物理化学性质。1.1.1细菌纤维素的结构细菌纤维素与天然其它纤维素在化学成份和结构上非常相似,都是由D-吡喃葡萄糖苷彼此以β-1,4-糖苷键连接而成的高分子化合物。相邻的葡萄糖分子的6个碳原[3]子呈稳定的椅式立体结构。与其它很多天然纤维所不同的是,细菌纤维素具有独特的形态结构。它是自然界中的唯一纳米纤维，由独特的丝状纤维组成，其纤维丝带的宽度和厚度分别为30～60nm和3～8nm，仅为棉纤维直径的1/100～1/1000。微1华中科技大学硕士学位论文纤维是构成纤维素丝带的亚单元，多根微纤维聚合成一

6、根纤维素，其尺寸受到结晶度影响。图1.1细菌纤维素分子结构Fig.1.1Molecularstructureofbacterialcellulose细菌纤维素与植物纤维素、藻类纤维素一样，同属于Ⅰ型纤维素。Ⅰ型纤维素中有Ⅰα（一个晶胞含有一条三斜晶纤维素链）和Ⅰβ（一个晶胞含有2条单斜晶纤维素链）两种晶形排列方式。木本植物纤维素晶形主要为Ⅰβ型，而细菌纤维素Ⅰα型与Ⅰβ型比例为3：2。细菌纤维素结晶度为95％且无杂质纤维，高于普通高等植物纤维65％，而低于藻类和动物纤维。细菌纤维素聚合度为16000，高于优质棉13000～14000、木

7、浆纤维7000～10000、短绒棉5000，低于植物中最高的单球囊藻26500～44000。细菌纤维素的结构与菌株种类和培养条件有关，静态培养时其纤维素结晶度、聚合度和Ⅰα型纤维素含量,都大大高于振荡培养时的纤维，培养过程中氧分压对细菌细胞生长、纤维产量和纤维结构的形成有显著影响，二氧化碳浓度增高对上述参[4]数有明显抑制作用。1.1.2细菌纤维素的性质1.1.2.1高强度和形状可塑性细菌纤维素纤维纯度极高，不掺杂木质素和半纤维素等其它多糖，且结晶度聚合度高、分子取向度好、结构均一，具有精细的三维网络结构，使得细菌纤维素具2有极高的机械

8、性能。一般有机聚合物膜的杨氏模量在5GN/m以下，而细菌纤维素2干膜的杨氏模量具测量已经超过15GN/m。细菌纤维素膜经热压处理后的杨氏模量[5]更好，可与金属铝媲美，大大超过当前任何有机聚合物材料。此外，