细菌纤维素

1摘要细菌纤维素是一种天然的生物高聚物，不仅具有生物活性、生物可降解性、生物适应性，而且具有独特的物理、化学和机械性能，简要介绍细菌纤维素的基本性质，系统地介绍了细菌纤维素的生物合成与调节，发酵工艺条件控制以及在生物医学材料上的应用。与细菌纤维素培养方法采用不同的培养方法，如静态培养和动态培养，利用醋酸菌可以得到不同高级结构的纤维素。通过调节培养条件，也可得到化学性质有差异的细菌纤维素。关键词：细菌纤维素，特征，培养方式，生物医学应用AbstractBacterialcelluloseisakindofnaturalbiopolymer,notonlyhasthebioactivity,biodegradability,biocompatibility,andhasuniquephysical,chemicalandmechanicalproperties,thebasicpropertiesofbacterialcellulosewerebrieflyintroduced,systematicallyintroducedbacterialcellulosebiosynthesisandregulation,fermentationprocesscontrolandinbiomedicalmaterialsapplications.Differentmethodswereusedinthecultureofbacterialcellulose,suchasstaticanddynamicculture.Bacterialcellulosewithdifferentchemicalpropertiescanbeobtainedbyadjustingthecultureconditions.Keywords：BC,Feature,Trainingmode,biomedicalapplications2目录1细菌纤维素的基本特征..................................................................................................................41.1细菌纤维素的性质.................................................................................................................................41.2细菌纤维素的特性.................................................................................................................................42细菌纤维素的改性.............................................................................................................................62.1生物改性....................................................................................................................................................62.2化学改性研究...........................................................................................................................................63细菌纤维素在医学材料上的应用............................................................................................83.1细菌纤维素在组织工程支架中的应用...........................................................................................83.2细菌纤维素在人工血管上的应用....................................................................................................83.3细菌纤维素在人工皮肤以及皮肤损伤治疗上的应用..............................................................931细菌纤维素的基本特征细菌纤维素（Bacterialcellulose，BC）是指在不同条件下，由醋酸菌属（Acetobacter）、土壤杆菌属（Agrobacterium）、根瘤菌属（Rhizobium）和八叠球菌属（Sarcina）等中的某种微生物合成的纤维素的统称。醋酸菌土壤杆菌根瘤菌八叠球菌1.1细菌纤维素的性质纤维素是地球上产量最大的天聚合体,其产量达到1011t/a,广泛存在于各种高级植物中,也存在于若干低等植物、细菌和个别低等动物中,如海洋中生长的若干绿藻和某些海洋低等动物体中也含有纤维素。传统食醋酿造过程中,常在醪液中生成类似凝胶膜状物,常称为菌膜。1886年,英国人Brown等利用化学分析方法确定此类物质为纤维素。它与植物纤维素在化学组成和结构上没有明显的不同。醋酸菌所产细菌纤维素的特点是其以纯纤维素组成的形式存在。与之对应的高等植物纤维素的存在形式是其与半纤维素、木质素等组成3级立体结构。由醋酸菌属产生的细菌纤维素具有独特的性质。它不同于自然界广泛存在的纤维素,由于其是一种纯纤维素,因此具有:(1)纤维素纯度高,结晶度高和重合度高,并且以单一纤维存在,这样在制备一些微小纤维产品(microfibric)时非常有利。传统微小纤维产品要从天然纤维出发制备,需要一系列特殊的加工过程。(2)细菌纤维素的纤维直径在0101～011μm之间,弹性模数为一般纤维的数倍至十倍以上,并且抗拉强度高。对纤维素的机械性能研究时发现细菌纤维素的扬氏模量高达15×109Pa,并且纤维素的机械性能与生产纤维素的发酵方式以及膜的处理方法(包括加热和加压)无关。(3)具有较高的生物适应性,并且在自然界可直接降解,不污染环境。1.2细菌纤维素的特性细菌纤维素和植物或海藻产生的天然纤维素具有相同的分子结构单元,但细菌纤维素纤维却有许多独特的性质。①细菌纤维素与植物纤维素相比无木质素、果胶和半纤维素等伴生产物，具有高结晶度（可达95%，植物纤维素的为65%）和高的聚合度(DP值2000～8000)；②超精细网状结构。细菌纤维素纤维是由直径3～4纳米的微纤组合成40～460纳米粗的纤维束，并相互交织形成发达的超精细网络结构；③细菌纤维素的弹性模量为一般植物纤维的数倍至十倍以上，并且抗张强度高；④细菌纤维素有很强的持水能力(waterretentionvalues,WRV)。未经干燥的细菌纤维素的WRV值高达1000%以上，冷冻干燥后的持水能力仍超过600%。经100℃干燥后的细菌纤维素在水中的再溶胀能力与棉短绒相当；⑤细菌纤维素有较高的生物相容性、适应性和良好的生物可降解性；⑥细菌纤维素生物合成时的可调控性。52细菌纤维素的改性2.1生物改性自1886年细菌纤维素被发现以来，其相关研究已有百余年历史。20世纪70年代，Haigler等[1]和zaar等[2]对Ax合成纤维素的机理提出假设，即在静态培养方式下，细菌纤维素形成过程分4个阶段：首先由细菌细胞两侧纵向排列的孔道中分泌出由胞内合成的葡萄糖直链聚合成的最小构成单元亚纤维；亚纤维间以氢键连接形成微纤维；平行的微纤维素之间再相互缠结组成束状纤维再扁化为纤维丝带；最后由大量相互交织的纤维丝带组成三维多孔的网状结构，在培养液的表面形成一层透明的凝胶状薄膜。由于细菌纤维素膜是分层逐渐形成的，所以任一阶段受到影响都可能导致其结构和性能的改变：如果添加试剂参与到第1阶段，作为碳源进入细菌纤维素生物合成的代谢途径，则可产生纤维素共聚物，即化学结构改性；如果试剂只影响其第2、3阶段，则是通过氢键连接而粘附在细菌纤维素表面形成纤维素复合物而改变其物理、机械性能；而添加一些不溶性颗粒等物质是影响细菌纤维素形成的第4阶段，使微粒分散在纤维素网状结构中而得到性能增强的共混复合材料。2.2化学改性研究细菌纤维素生物改性虽然是一种绿色可持续的方法，但仍然存在一定的局限性，如微生物发酵环境要求严格、培养周期长等问题。相比于生物改性，细菌纤维素的化学改性合成衍生物目标明确，反应时间短，也是很有开发潜力的细菌纤维素改性途径。目前，国内外对普通植物纤维衍生物的合成研究已很深入，细菌纤维素与普通植物纤维素具有非常相似的化学组成和结构，因此也能像植物纤维素一样进行羧甲基化、乙酰化、酯化、磷酸化，苯甲酸酯化以及多种接枝共聚反应和交联反应，且主要集中在表面改性和非均相反应研究2个方面。2.2.1表面改性通过表面改性，向细菌纤维素膜表面引入新官能团，可改善细菌纤维素膜的表面性能，如亲水亲油性、纤维束大小、比表面积、化学反应性或光学性能，而且，表面改性还能保持细菌纤维素原有的聚集态结构和物理机械性能。Kim等[3]通过乙酰化对细菌纤维素进行表面修饰，获得取代度在0.04～2.77的产物，低取代度乙酰化产物保持着细菌纤维素的微纤维网状结构。而Ifuku等[4]将细菌纤维素乙酰化后，再与丙烯酸树脂形成纳米复合材料，则增强了光学透明度，其光学透明度取决于复合物乙酰化取代度。62.2.2非均相改性由于细菌纤维素的微纤丝极细、表面积大、化学衍生活性高，化学反应的可及度和反应性均强于普通植物纤维，在纤维素化学改性制备衍生物的过程中，反应完成速度快、耗时少，而且细菌纤维素在化学改性后，其衍生物仍有优良的物理、机械性能。Geyer等[5]对细菌纤维素与植物纤维素进行了羧甲基化、硅烷化和乙酰化改性，发现与植物纤维素相比，细菌纤维素产物的单取代和二取代糖元含量更高，三取代和未取代糖元很少，表明取代基在羧甲基细菌纤维素高分子链上分布更均一。列：用高碘酸钠对其进行非均相改性，制得的二醛纤维素的取代度能达到12%，很大程度降低了其结晶度。Wang等[6]以苯甲酰氯和细菌纤维素为原料，制得了具有一定取代度的细菌纤维素苯甲酸酯，产物在281.7-356.3℃可以形成近晶型液晶相，这种细菌纤维素衍生物在传感器、高端压电材料和光学材料等领域有着应用潜力。细菌纤维素衍生物的结构。提高细菌纤维素材料的吸附和渗透性能也是细菌纤维素化学改性的目的之一。在改性过程中，通过选择改性单体、改变化学处理方法或调控膜的形态结构，可以进一步提高产物的选择吸附和渗透性。Choi等[7]研究了细菌纤维素作为具有环境相容性的离子交换膜的可行性，细菌纤维素用丙烯酸进行改性后制备出了非常致密的离子交换膜，检测结果表明丙烯酸密集地结合在膜上，改性后的细菌纤维素由于具有高的结晶度而具有优异的机械性能。在Oshima等[8]的研究中，细菌纤维素被磷酸化来研究产物对过渡金属离子和稀土离子的吸附效果，相同条件下，细菌纤维素的磷酸化程度比植物纤维素高，且磷酸化过程中，细菌纤维素的超细网状结构未被破坏，且磷酸化细菌纤维素有更好的吸附效果。73细菌纤维素在医学材料上的应用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广泛的用