细菌纤维素在生物医学材料中的应用.doc

细菌纤维素在生物医学材料中的应用细菌纤维素(bacterial cellulose,简称BC)又称为微生物纤维素(microbial cellulose),不仅是地球上除植物纤维素之外的另一类由细菌合成的天然惰性材料,而且是世界上公认的性能优异的新型生物学材料。能够产生纤维素的细菌1主要有和Sarcina等,其中研究最多、产量最高的是Acetobacterxylinum(A. xylinum,木醋杆菌)。从纤维素的分子组成看,BC和植物纤维一样都是由-D-葡萄糖通过-1,4-糖苷键结合成的直链,直链间彼此平行不呈螺旋构象,无分支结构,又称为-1, 4-葡聚糖。但从物理、化学、机械性能来看,它具有自己独特的性质是一种新型天然纳米生物材料,已广泛应用于食品、造纸、医学材料、声音振动膜等各个领域,现已成为国际的研究热点。本文就细菌纤维素的性质、研究历史以及在生物医学材料上的应用进行概括,重点阐述该纤维素在组织工程支架、人工血管、人工皮肤和治疗皮肤损伤方面的应用以及当前研究现状。由A.xylinum产生的BC和植物或海藻产生的纤维素在化学性质上是相同的,但BC作为一种新型生物材料,有以下许多独特的性质: (1)纤维超细。微纤维组成独特的束状纤维,其宽度大约为100nm左右,厚度为属纳米极纤维,是目前最细的天然纤维,其大小仅为人工合成纤维的1/10; (2)细菌合成纤维素的速度和产率要比植物高许多,每个木醋杆菌每小时至少可聚合1.5108个葡萄糖分子,以平面静态浅盘培养年产量在10t/666.7m2左右,是一个季度同面积棉产量的100倍; (3)高结晶度和高化学纯度。以100%纤维素的形式存在,不含半纤维素、木质素和其它细胞壁成分,提纯过程简单; (4)高抗张强度和弹性模量。BC经洗涤、干燥后,杨氏模量可达10MPa,经热压处理后,杨氏模量可达30MPa,比有机合成纤维的强度高4倍高持水量(或称高亲水性)。其内部有很多“孔道”,有良好的透气、透水性能,能吸收60700倍于其干重的水份,即有非凡的持水性,并具有高湿强度极佳的形状维持能力和抗撕力。BC膜的抗撕能力比聚乙烯膜和聚氯乙烯膜要强5倍; (7)较高的生物适应性和良好的生物可降解性。自然环境中,在酸性、微生物以及纤维素酶催化等条件下可以最终降解成单糖等小分子物质; (8)生物合成时性能和形状的的可调控性。通过调节培养条件,可得到化学性质有差异的。如木醋杆菌能利用葡萄糖与乙酰葡萄胺合成乙酰氨基葡萄糖,并以4%的比例将N-乙酰氨基葡萄糖连接在BC上2。此外,采取不同的培养方法,如静态培养和动态培养,也可以得到不同高级结构的纤维素。等3曾报道利用Acetobacter在培养过程中直接形成一种无缝的、手套形状的纤维素产品,以用于治烧/烫伤的手部皮肤; (9)可利用广泛的原料进行生产提取过程简单。关BC的研究最先由Brown4于1886年发现并报道。在醋酸发酵过程中他观察到培养基表面形成一层凝胶状膜,经进一步分析确定这是由醋酸杆菌发酵产生的一种纤维素物质,将其命名为纤维素薄膜。其后,很多课题组对BC的形成机制做了研究。等5在1947年第一次详细阐明A.xylinum合成纤维素的机制。19世纪50年代期间,相关学者发表了一系列有关BC的研究论文。Schramm等6在1954年报道了纤维素形成过程中的影响因素,研究了培养基以及相关抑制剂对其形成的影响,并于1957年研究了合成该纤维素的酶系统7;同一个课题组的等8于1962年研究了纤维素合成过程中的中间产物。同时,菲律宾的研究人员也报道了用菠萝皮和椰子汁发酵生产“Nata”的方法9,10。但是直到1967年,才由等11证实“Nata”实际上是由A.xylinum产生的纯纤维素。关于BC的早期研究有很多是围绕提高“Nata”产品的最优发酵条件、分离提纯以及高产菌株的筛选等展开的。接下来的十年,研究主要集中在合成纤维素的生物模型机制。1977年等曾尝试以一种单糖为原料利用纤维素合成酶全生物合成纤维素产品。直到19世纪80年代,人们才渐渐认识到BC是一种具有潜在商业价值的生物材料,因此对A.xylinum的关注逐渐由过去在实验室中研究单纯的生物合成纤维素模型飞跃到大规模工业化生产。在这个飞跃中有两个课题组的研究人员作出了开拓性工作:由索尼公司、味之素公司和日本纺织研究所组成的科研人员致力于利用BC的特殊物理性能制造高强度材料13;另一个是由Weyerhaeuser和Cetus Corp组成的研究小组在深层搅动发酵罐中以A.xylinum为菌株生产BC14。到年代末期,很多有关BC的商业化应用都申请了专利。19921993年,Okiyama等15,16报道了实验室大规模培养及通过改进发酵罐的设计生产BC的文章。接下来对BC的研究越来越多,应用范围也更加广泛相继有做为食品添加剂、纸张粘合剂及滤膜等方面的研究被报道。目前的研究热点主要是将BC应用于高附加值的产品,尤其是生物医用材料上。1990年和1991年日本人Yamanaka18,19首次以该纤维素制备人工血管获得了成功。2001年和2003年Klemn等20,21则以此材料研制成功小直径(13 mm内径)人工血管。2005年美国瑞典国际合作小组的Svensson等22发现以BC作为软骨组织工程支架效果良好。此外,该中空纤维管还可以作为覆盖神经纤维的护套、气管、输尿管、软骨支架,以及某些中空气管的替代品等细菌纤维素由于具有独特的生物亲和性、生物相容性、生物可降解性、生物适应性和无过敏反应,以及高的持水性和结晶度、良好的纳米纤维网络、高的张力和强度,尤其是良好的机械韧性,因此在组织工程支架、人工血管、人工皮肤以及治疗皮肤损伤等方面具有生物相容性对于组织工程支架的构建是必不可少的。在研究组织工程BC支架构建中,体内生物相容性的评价非常重要。Helenius等23系统地研究了BC的体内生物相容性。实验中他们把BC植入老鼠体内周,利用组织免疫化学和电子显微镜技术,从慢性炎症反应、异物排斥反应以及细胞向内生长和血管生成等方面的特征来评价植入物的体内相容性。结果发现植入物周围无肉眼和显微镜可见