Методика испытаний на растяжение гидратированных гель-пленок бактериальной целлюлозы

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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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].

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.