zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2019-85-10-64-69zldm-1086Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. MECHANICAL TESTING METHODSМетодика испытаний на растяжение гидратированных гель-пленок бактериальной целлюлозыTensile test for hydrated gel-films of bacterial celluloseГолубевД. С.GolubevD. S.

Дмитрий Сергеевич Голубев

659322, Бийск, ул. Социалистическая, д. 1; 659305, Бийск, ул. имени Героя Советского Союза Трофимова, д. 27

Dmitrii S. Golubev1,2,

БычинН. В.BychinN. V.

Николай Валерьевич Бычин

659322, Бийск, ул. Социалистическая, д. 1

Nikolai V. Bychin

Ul. Sotsialisticheskaya 1, Biisk, 659322

БудаеваВ. В.BudaevaV. V.

Вера Владимировна Будаева

659322, Бийск, ул. Социалистическая, д. 1

Vera V. Budaeva

Ul. Sotsialisticheskaya 1, Biisk, 659322

budaeva@ipcet.ruСкибаЕ. А.SkibaE. A.

Екатерина Анатольевна Скиба

659322, Бийск, ул. Социалистическая, д. 1; 659305, Бийск, ул. имени Героя Советского Союза Трофимова, д. 27

Ekaterina A. Skiba

Ul. Sotsialisticheskaya 1, Biisk, 659322; Ul. Imeni Geroya Sovetskogo Soyuza Trofimova, 27, Biisk, 659305

Институт проблем химико-энергетических технологий, Сибирское отделение Российской академии наук; Бийский технологический институт (филиал) Алтайский государственный технический университет им. И.И. ПолзуноваРоссияInstitute for Problems of Chemical and Energetic Technologies, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences; Biisk Technological Institute, Polzunov Altai State Technical UniversityRussian FederationИнститут проблем химико-энергетических технологий, Сибирское отделение Российской академии наукРоссияInstitute for Problems of Chemical and Energetic Technologies, Siberian Branch, Russian Academy of SciencesRussian Federation20193010201985106469Copyright © Голубев Д.С., Бычин Н.В., Будаева В.В., Скиба Е.А., 20192019Голубев Д.С., Бычин Н.В., Будаева В.В., Скиба Е.А.Golubev D.S., Bychin N.V., Budaeva V.V., Skiba E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1086

Благодаря уникальным физико-химическим свойствам и биосовместимости бактериальная целлюлоза имеет множество применений. Во многих случаях использования бактериальной целлюлозы важно знать ее механические характеристики: модуль Юнга, прочность при разрыве, относительное удлинение при максимальной нагрузке. Разнообразие методик не позволяет сравнить полученные разными исследователями результаты термомеханического анализа бактериальной целлюлозы. Однако существующие стандарты определения механических характеристик не предназначены для высокогидратированных образцов и не учитывают условия их применения. Цель работы — разработка методики испытаний на растяжение гидратированных гель-пленок бактериальной целлюлозы и сравнение показателя их относительного удлинения при исследовании на воздухе и в водной среде. Образцы для исследования получали на синтетической питательной среде, в качестве продуцента использовали симбиотическую культуру Medusomyces gisevii Sa-12. Физико-механический анализ проводили на термомеханическом анализаторе ТМА-60. В ходе исследования подбирали такую скорость нагружения, при которой не происходило высушивание образца при испытаниях на воздухе. Микрофибрилярную структуру образцов бактериальной целлюлозы исследовали до и после растяжения методом растровой электронной микроскопии (JSM-840). Результаты исследований показали, что при различных скоростях нагружения прочность на разрыв различается в 16 раз, модуль Юнга — в 1,3 раза, а относительное удлинение при максимальной нагрузке — в 1,5 раза. Максимальное относительное удлинение гидратированной бактериальной целлюлозы в водной среде составило 51,4 %, что в 3,1 раза больше, чем при растяжении образца на воздухе. Рекомендованная скорость нагружения составила 20 г/мин. В процессе растяжения изменяется структура бактериальной целлюлозы: после испытаний волокна бактериальной целлюлозы выстраиваются вдоль вектора нагружения. Структурированная таким образом бактериальная целлюлоза приобретает анизотропные свойства.

Bacterial cellulose (BC) finds multiple applications due to unique physicochemical properties and biocompatibility. The mechanical characteristics of hydrated BC such as Young modulus, tear strength, and tensile elongation under maximum load are crucial in some instances. The diversity of test methods does not allow correct comparison of the results of BC thermomechanical analysis (TMA) obtained by different researchers. However, current standards for determination of the mechanical characteristics are not intended for highly hydrated samples and do not take into account conditions for their use. The goal of the study is to develop a tensile test method for hydrated gel films of bacterial cellulose and to compare their relative elongation when tested in air and in an aqueous medium. Test samples were produced in a synthetic nutrient broth using Medusomyces gisevii Sa-12 symbiont. Physico-mechanical analysis was performed on a TMA-60 thermomechanical analyzer. The loading rate was selected proceeding from the requirement that the specimen will not dry out when tested in air. The microfibrillar structure of BC samples was studied before and after stretching using scanning electron microscope (JSM-840). The results showed that at different loading rate, tensile strength varies by a factor of 16, Young’s modulus, and elongation at maximum load by a factor of 1.3 and 1.5, respectively. The maximum tensile elongation of hydrated BC in an aqueous medium (51.4%) is 3.1 times larger compared to that determined for the test specimen tested in air. The recommended loading rate is 20 g/min. The BC structure changes during tension: after testing the BC fibers line up along the load vector and thus structured bacterial cellulose acquires the anisotropic properties.

гидратированная бактериальная целлюлозаMedusomyces giseviiмеханические характеристикимодуль Юнгатермомеханический анализотносительное удлинениерастровая электронная микроскопияhydrated bacterial celluloseMedusomyces giseviimechanical behaviorYoung modulusthermomechanical analysistensile elongationscanning electron microscopy (SEM)ReferencesKlemm D., Heublein B., Fink H.-P., Bohn A. Cellulose: Fascinating Biopolymer and Sustainable Raw Material / Angewandte Chemie International Edition. 2005. Vol. 44. N 22. P. 3358 – 3393. DOI: 10.1002/anie.200460587.Klemm D., Heublein B., Fink H.-P., Bohn A. Cellulose: Fascinating Biopolymer and Sustainable Raw Material / Angewandte Chemie International Edition. 2005. Vol. 44. N 22. P. 3358 – 3393. DOI: 10.1002/anie.200460587.Reiniati I., Hrymak A. N., Margaritis A. Recent developments in the production and applications of bacterial cellulose fibers and nanocrystals / Critical Reviews in Biotechnology. 2016. Vol. 37. P. 510 – 524. DOI: 10.1080/07388551.2016.1189871.Reiniati I., Hrymak A. N., Margaritis A. Recent developments in the production and applications of bacterial cellulose fibers and nanocrystals / Critical Reviews in Biotechnology. 2016. Vol. 37. P. 510 – 524. DOI: 10.1080/07388551.2016.1189871.Volova T. G., Shumilova A. A., Shidlovskiy I. P., Nikolaeva E. D., Sukovatiy A. G., Vasiliev A. D., Shishatskaya E. I. Antibacterial properties of films of cellulose composites with silver nanoparticles and antibiotics / Polymer Testing. 2018. Vol. 65. P. 54 – 68. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2017.10.023.Volova T. G., Shumilova A. A., Shidlovskiy I. P., Nikolaeva E. D., Sukovatiy A. G., Vasiliev A. D., Shishatskaya E. I. Antibacterial properties of films of cellulose composites with silver nanoparticles and antibiotics / Polymer Testing. 2018. Vol. 65. P. 54 – 68. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2017.10.023.Stumpf T. R., Yang X., Zhang J., Cao X. In situ and ex situ modifications of bacterial cellulose for applications in tissue engineering / Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 82. P. 372 – 383. DOI: 10.1016/j.msec.2016.11.121.Stumpf T. R., Yang X., Zhang J., Cao X. In situ and ex situ modifications of bacterial cellulose for applications in tissue engineering / Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 82. P. 372 – 383. DOI: 10.1016/j.msec.2016.11.121.Ul-Islam M., Khan T., Park J. K. Nanoreinforced bacterial cellulose-montmorillonite composites for biomedical applications / Carbohydrate polymers. 2012. Vol. 89. N 4. P. 1189 – 1197. DOI: 10.1016/j.carbpol.2012.03.093.Ul-Islam M., Khan T., Park J. K. Nanoreinforced bacterial cellulose-montmorillonite composites for biomedical applications / Carbohydrate polymers. 2012. Vol. 89. N 4. P. 1189 – 1197. DOI: 10.1016/j.carbpol.2012.03.093.Torgbo S., Sukyai P. Bacterial cellulose-based scaffold materials for bone tissue engineering / Applied Materials Today. 2018. Vol. 11. P. 34 – 49. DOI: 10.1016/j.apmt.2018.01.004.Torgbo S., Sukyai P. Bacterial cellulose-based scaffold materials for bone tissue engineering / Applied Materials Today. 2018. Vol. 11. P. 34 – 49. DOI: 10.1016/j.apmt.2018.01.004.Chakravorty S., Bhattacharya S., Chatzinotas A., Chakraborty W., Bhattacharya D., Gachhui R. Kombucha tea fermentation: Microbial and biochemical dynamics / International Journal of Food Microbiology. 2016. Vol. 220. P. 63 – 72. DOI: 10.1016/j.ijfoodmicro.2015.12.015.Chakravorty S., Bhattacharya S., Chatzinotas A., Chakraborty W., Bhattacharya D., Gachhui R. Kombucha tea fermentation: Microbial and biochemical dynamics / International Journal of Food Microbiology. 2016. Vol. 220. P. 63 – 72. DOI: 10.1016/j.ijfoodmicro.2015.12.015.Gladysheva E. K., Skiba E. A., Zolotukhin V. N., Sakovich G. V. Study of the Conditions for the Biosynthesis of Bacterial Cellulose by the Producer Medusomyces gisevii Sa-12 / Applied Biochemistry and Microbiology. Pleiades Publishing. 2018. Vol. 54. N 2. P. 179 – 187. DOI: 10.1134/s0003683818020035.Gladysheva E. K., Skiba E. A., Zolotukhin V. N., Sakovich G. V. Study of the Conditions for the Biosynthesis of Bacterial Cellulose by the Producer Medusomyces gisevii Sa-12 / Applied Biochemistry and Microbiology. Pleiades Publishing. 2018. Vol. 54. N 2. P. 179 – 187. DOI: 10.1134/s0003683818020035.Bychin N. V., Golubev D. S., Skiba E. A. Thermogravimetric and mechanical characteristics of bacterial nanocellulose, depending on the method of obtaining nutrient media — enzymatic hydrolysates from the fruit shells of oats / Polzunov. Vestn. 2018. N 3. P. 109 – 115. DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2018. 03.019 [in Russian].Bychin N. V., Golubev D. S., Skiba E. A. Thermogravimetric and mechanical characteristics of bacterial nanocellulose, depending on the method of obtaining nutrient media — enzymatic hydrolysates from the fruit shells of oats / Polzunov. Vestn. 2018. N 3. P. 109 – 115. DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2018. 03.019 [in Russian].Ebrahimi E., Babaeipour V., Khanchezar S. Effect of down-stream processing parameters on the mechanical properties of bacterial cellulose / Iranian Polymer Journal. 2016. Vol. 25. N 8. P. 739 – 746. DOI: 10.1007/s13726-016-0462-4.Ebrahimi E., Babaeipour V., Khanchezar S. Effect of down-stream processing parameters on the mechanical properties of bacterial cellulose / Iranian Polymer Journal. 2016. Vol. 25. N 8. P. 739 – 746. DOI: 10.1007/s13726-016-0462-4.Almeida L. R., Martins A. R., Fernandes E. M., Oliveira M. B., Correlo V. M., Pashkuleva I., Reis R. L. New biotextiles for tissue engineering: Development, characterization and in vitro cellular viability / Acta Biomaterialia. 2013. Vol. 9. N 9. P. 8167 – 8181. DOI: 10.1016/j.actbio.2013.05.019.Almeida L. R., Martins A. R., Fernandes E. M., Oliveira M. B., Correlo V. M., Pashkuleva I., Reis R. L. New biotextiles for tissue engineering: Development, characterization and in vitro cellular viability / Acta Biomaterialia. 2013. Vol. 9. N 9. P. 8167 – 8181. DOI: 10.1016/j.actbio.2013.05.019.Brown E. E., Zhang J., Laborie. Never-dried bacterial cellulose/fibrin composites: preparation, morphology and mechanical properties / Cellulose. 2011. Vol. 18. N 3. P. 631 – 641. DOI: 10.1007/s10570-011-9500-8.Brown E. E., Zhang J., Laborie. Never-dried bacterial cellulose/fibrin composites: preparation, morphology and mechanical properties / Cellulose. 2011. Vol. 18. N 3. P. 631 – 641. DOI: 10.1007/s10570-011-9500-8.Yang Q., Ma H., Dai Z., Wang J., Dong S., Shen J., Dong J. Improved thermal and mechanical properties of bacterial cellulose with the introduction of collagen / Cellulose. 2017 Vol. 24. N 9. P. 3777 – 3787. DOI: 10.1007/s10570-017-1366-y.Yang Q., Ma H., Dai Z., Wang J., Dong S., Shen J., Dong J. Improved thermal and mechanical properties of bacterial cellulose with the introduction of collagen / Cellulose. 2017 Vol. 24. N 9. P. 3777 – 3787. DOI: 10.1007/s10570-017-1366-y.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.