1、細菌纖維素的研究進展摘要：細菌纖維素是一種天然的生物高聚物，具有生物活性、生物適應性，具有獨特的物理、化學和機械性能，例如高的結晶度、高的持水性、超精細納米纖維網(wǎng)絡、高抗張強度和彈性模量等，因而成為近年來國際上新型生物醫(yī)學材料的研究熱點。概括細菌纖維素的性質(zhì)，發(fā)酵過程，改性方法以及在生物醫(yī)學材料上的應用。關鍵詞：細菌纖維素；改性；生物醫(yī)學材料；應用0 前言 細菌合成纖維素是在1886年由Brown首次報道的，是膠膜醋酸菌A.xylium在靜置培養(yǎng)時于培養(yǎng)基表面形成的一層白色纖維狀物質(zhì)。后來在許多革蘭氏陰性細菌，如土壤桿菌、致瘤農(nóng)桿菌和革蘭氏陽性菌如八疊球菌中也發(fā)現(xiàn)了細菌纖維素的產(chǎn)生。細菌纖維素

2、與天然纖維素結構非常相似，都是由葡萄糖以一1，4一糖苷鍵連接而成的高分子化合物，此外，細菌纖維素相對于傳統(tǒng)的纖維素資源又有其優(yōu)勢，如加工時不用去木質(zhì)素，可合成高質(zhì)量的紙張或者加工成任何形狀的無紡織物，還可通過發(fā)酵條件的改變控制合成不同結晶度的纖維素，從而可根據(jù)需要合成不同結晶度的纖維素。從纖維素的發(fā)現(xiàn)至今已有一百多年的歷史，但由于無合適的實驗手段以及纖維素的產(chǎn)量較低，因此多年來一直未受到足夠重視。近十幾年來隨著分子生物學的發(fā)展和體外無細胞體系的應用，細菌纖維素的生物合成機制已有了很深人的研究，同時在細菌纖維素的應用方面也有了很大進展。1.細菌纖維素的結構特點和理化特性1.1化學特性經(jīng)過長期的研

3、究發(fā)現(xiàn)，BC和植物纖維素在化學組成和結構上沒有明顯的區(qū)別，均可以視為是由很多D-吡喃葡萄糖苷彼此以(1-4)糖苷鍵連接而成的線型高分子，相鄰的吡喃葡萄糖的6個碳原子不在一個平面上，而是呈穩(wěn)定的椅式立體結構。日本的Masuda等采用13C和1H旋轉擴散核磁共振分析了BC的纖維素結構，試驗結果表明:在CP/MAS13C NMR圖譜上出現(xiàn)共振線很大地分裂為低場線和高場線，其原因可能是高場線處的C4與微纖維中CH2OH的混亂的氫鍵結合在一起的構象不規(guī)則所引起的結構缺陷。1.2細菌纖維素的聚合度，結晶度及其性質(zhì)BC的聚合度隨著培養(yǎng)方式和條件不同而有很大差異，動態(tài)培養(yǎng)時較低，約為3000-5000，靜態(tài)培

4、養(yǎng)時可以高達16000，優(yōu)質(zhì)棉纖維為113000-14000，棉短絨為5000左右，木漿纖維素為7000-10000。結晶度高于普通高等植物纖維，而低于藻類(Vatinia)和動物纖維(Tunicin)。結晶度增加，纖維的抗張強度、楊氏模量、硬度、比重和體積的穩(wěn)定性會隨之增加，而伸長率、吸濕性、潤脹度、柔軟性和化學反應性均會隨之降低。但是BC纖維的吸濕性、潤脹度、柔軟性和化學反應活性卻比高等植物纖維素好得多這個反常規(guī)的原因可能是由于細菌纖維超細(納米級)特點所造成，有待于深入研究。Strobin等通過凝膠滲透色譜法研究了BC在不同培養(yǎng)時間以及培養(yǎng)基組成時的聚合度和聚合度分布性，結果表明:隨培養(yǎng)

5、時間的延長，其聚合度隨之增加，到28天時開始降低，但聚合度分布性卻增加。1.3細菌纖維素膜的結構與性質(zhì)BC成膜性能好，BC膜的抗撕能力比聚乙烯膜和聚氯乙烯膜要強5倍；BC膜持水量高，其內(nèi)部有很多“孔道”，有良好的透氣、透水性能，通常情況下持水率大于1:50，經(jīng)特殊處理可達1:700，并且具有高的濕強度。Wfochowicz等采用X-射線衍射研究了在不同培養(yǎng)時間發(fā)酵的細菌纖維素的納米結構；采用重量分析法可知膜的持水率隨培養(yǎng)時間延長而從193%降到120%。廣角衍射測試表明:不管培養(yǎng)時間的長短，膜均有半結晶形態(tài)；小角衍射測試表明纖維素結晶纖維隨機地分布在無定相中。Dubey研究了除去蛋白質(zhì)后的BC

6、膜在二元溶劑體系(水-醇)中的全蒸發(fā)，隨乙醇的濃度增加，對纖維素膜的滲透通量、選擇性、全蒸發(fā)分離指數(shù)(PSI)和吸氣度進行了研究，發(fā)現(xiàn)纖維素膜對水有高的選擇性，當乙醇濃度高于70%時纖維素膜仍能透過95%的水，當二元體系中含水量少于30%時，纖維素膜對水的選擇度在125-287范圍，滲透通量高于100g/m2，PSIy約為104g/m2h。1.4細菌纖維素的介電性能Baranov等研究了由納米晶體構成的BC在頻率100Hz到1MHz之間，溫度在100-400K之間的介電性能，高溫狀態(tài)下纖維素的介電常數(shù)的異常行為可以通過纖維素中水分子的吸附和解吸特征來解釋，低于320K時，纖維素膜吸水，而高于此

7、溫度時將解吸水。1.5細菌纖維素的溶解性能Tamai發(fā)現(xiàn)BC在8%的二甲基乙酞胺的溶液中溶解形成均質(zhì)溶液，而在某個濃度時會形成非均質(zhì)溶液。B.Laszkiewicz從實驗中發(fā)現(xiàn)，BC像云杉纖維一樣，聚合度低于400，可以在-5下溶于8.5%的NaOH溶液中。當NaOH溶液中加入1%的尿素時，BC的溶解度會增加，聚合度不超過560就可以溶解。這個實驗結果具有重要的實用意義，它指出了不用汽蒸或酶生物轉移活化纖維素，而是通過纖維素紡絲液制備纖維的可能性。這種方法不同于傳統(tǒng)的粘膠法生產(chǎn)纖維素，溶劑是一種對環(huán)境無毒，價格便宜，不需要制備纖維素衍生物的直接溶劑。1.6其他性質(zhì)較高的生物適應性和良好的生物可

8、降解性，可利用廣泛的基質(zhì)進行生產(chǎn)可以進行烷基化、輕烷基化、羧甲基化、硝基化、氰乙基化、氨基甲酸酯化以及多種接枝共聚反應和交聯(lián)反應，其化學反應的可及度和反應性均強于普通植物纖維。日本學者在用BC、棉短絨和木漿纖維制造三醋酸纖維素酯和二醋酸纖維素酯時發(fā)現(xiàn)，相同條件下，BC完成反應速度快、耗時少。2.細菌纖維素的生物合成目前除醋酸菌屬外，根瘤菌屬(Rhizobium)、八疊球菌屬(Sarcina)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、無色桿菌屬(Achromobacter)、產(chǎn)堿菌屬(Alcaligenes)、氣桿菌屬(Aerobacter)、固氮菌屬(Azotobacter)等的某些種也能生成細

9、菌纖維素。研究比較全面的是木醋桿菌(Acetobacter xylinum)。在木醋桿菌生物代謝過程中戊糖循環(huán)(HMP)和檸檬酸循環(huán)(TCA)2條代謝途徑參與了細菌纖維素的生物合成。由于糖酵解(EMP)活力缺乏或微弱，即缺乏磷酸果糖激酶或酶活力微弱，因此木醋桿菌不能在厭氧條件下代謝葡萄糖。從草酰乙酸經(jīng)丙酮酸鹽，由于草酰乙酸脫羧酶和丙酮酸鹽激酶奇特調(diào)節(jié)作用，木醋桿菌發(fā)生糖原異生作用。在這種條件下，一條代謝途徑是由己糖磷酸鹽通過異構化和磷酸化，直接合成纖維素。另一種為非直接途徑，即經(jīng)過戊糖循環(huán)和葡糖異生途徑生成纖維素。其中由己糖磷酸鹽直接轉化成纖維素時，不需要己糖碳骨架中碳鏈的改變。由己糖磷酸鹽或

10、通過五碳糖循環(huán)生成纖維素都需能量代謝系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)位點在對ATP敏感、連接葡萄糖-6-磷酸脫氫酶的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)上。在木醋桿菌中有兩種不同的葡萄糖-6-磷酸脫氫酶，但只有一種葡萄糖-6-磷酸脫氫酶被ATP抑制。木醋桿菌生物合成纖維素與氧化代謝過程同步進行，但與蛋白質(zhì)合成體系無關。細菌纖維素合成的前體物為尿苷二磷酸葡萄糖，由葡萄糖合成纖維素的4個主要酶催反應步驟分別是:葡萄糖激酶的對葡萄糖的磷酸化作用；葡萄糖磷酸異構酶將6-磷酸葡萄糖通過異構作用轉化成1-磷酸葡萄糖；焦磷酸化酶將1-磷酸葡萄糖轉化成尿苷二磷酸葡萄糖；以及纖維素合成酶的合成作用。纖維素合成酶催化合成纖維素的最

11、后一步為:UDP-Glc+(-1，4-glucose)nUDP+(-1，4-glucose)n+1通過對木醋桿菌細菌纖維素生物合成的研究，發(fā)現(xiàn)細菌纖維素合成步驟的最后一步是在細胞膜上進行的。c-di-GMP(環(huán)狀鳥苷酸)是細菌纖維素合成調(diào)節(jié)機制的關鍵因子，c-di-GMP是作為纖維素合成酶變構催化劑起作用。在纖維素生物合成中如果沒有c-di-GMP，纖維素合成酶將失去活性。c-di-GMP濃度的高或低(合成或降解)被認為是由兩條具有相反作用途徑并由與這兩條途徑有關的與膜相連的二鳥苷酸環(huán)化酶控制。兩個GTP(鳥苷三磷酸)分子在二鳥苷酸環(huán)化酶催化作用下，首先釋放出一個分子PPi后轉變?yōu)榫€性二核苷酸

12、三磷酸pppGpG，在釋放出一分子PPi，進而合成c-di-GMP，與此同時，PPi迅速的分解而生成Pi。Mg2+對二鳥苷酸環(huán)化酶有激活作用。纖維素的生物合成將由于兩種c-di-GMP磷酸二酯酶A和B的作用而終止。PDE-A從環(huán)形結構上切下單個的磷酸二酯，將具有活性的c-di-GMP變?yōu)椴痪呋钚缘木€性二聚物pGpG。非活性的二聚物磷酸二酯酶B(PDE-B)的催化作用下被轉變?yōu)?個5-GMP。Ca2+選擇性抑制PDE-A的活性。細菌纖維素的分泌過程是伴隨細菌纖維素的生物合成同時進行的。隨著醋酸菌生長，大約12至70分子的細菌纖維素從細胞表面間隔大約為10nm的微孔同時分泌到培養(yǎng)基中。在細胞表面這

13、些纖維素分子通過氫鍵互相連接，形成純的纖維素纖絲。這種纖絲在純度上和超分子結構上優(yōu)于植物纖維素的纖絲。細菌纖維素的X-射線的分析顯示了纖維素顆粒(分子)的具有高度規(guī)則的晶體結構。細菌纖維素纖絲的網(wǎng)眼結構有很大的表面積，具有高持水能力和抗撕強度。一個醋酸桿菌可以在培養(yǎng)基中通過-1，4糖苷鍵聚合20000個葡糖分子形成單一、扭曲、帶狀的微細纖維。帶狀的微細纖維隨著細胞的生長分裂而并不斷裂。事實上，纖維素的生成模型中，葡糖聚合以及微細纖維素的連接作用是緊密相連同時進行的兩個步驟。3細菌纖維素的發(fā)酵生產(chǎn)木醋桿菌的培養(yǎng)方法有靜態(tài)法和動態(tài)法。靜態(tài)法是指將菌種靜置培養(yǎng)，在發(fā)酵液表面產(chǎn)生纖維素膜。動態(tài)法則是在

14、機械攪拌罐或氣升式生化反應器中通風培養(yǎng)細菌，纖維素完全分散在發(fā)酵液中，呈不規(guī)則的絲狀、星狀或微團狀。木醋桿菌發(fā)酵生產(chǎn)纖維素需要適合發(fā)酵條件的培養(yǎng)基，且培養(yǎng)基的組成對纖維素的產(chǎn)量有很大的影響。另外，改進發(fā)酵工藝設計合理的發(fā)酵裝置、優(yōu)良菌株的獲得，都是獲得理想的纖維素產(chǎn)品的途徑。向基礎培養(yǎng)基中添加適量的煙酸胺、乙醇、木素磺化鹽、瓊脂、聚多糖、醋酸和檸檬酸等可以提高BC的產(chǎn)量。S.Keshk等研究了培養(yǎng)基中加入木素磺化鹽對BC產(chǎn)量和結構性質(zhì)的影響。Tonouchi等人發(fā)現(xiàn)在木醋桿菌生產(chǎn)纖維素的過程中加入少量的纖維素酶可以提高纖維素的產(chǎn)量。設計不同類型的反應器，如:硅橡膠膜生物反應器、板或圓盤生物反應

15、器、旋轉盤生物反應器、改進的氣升式生物反應器等來提高纖維素產(chǎn)量。4細菌纖維素的改性4.1生物改性BC是由醋酸菌屬、土壤桿菌屬、根瘤菌屬和八疊球菌屬中的某種微生物在不同的條件下發(fā)酵合成的。不同的培養(yǎng)方式、不同的培養(yǎng)基組成以及不同的培養(yǎng)模型，都會對發(fā)酵產(chǎn)物的結構與性能產(chǎn)生很大的影響。采用不同的培養(yǎng)方法，如靜態(tài)培養(yǎng)和動態(tài)培養(yǎng)，利用醋酸菌可以得到不同高級結構的纖維素。通過調(diào)節(jié)培養(yǎng)條件，也可得到化學性質(zhì)有差異的BC。例如在培養(yǎng)液中加入水溶性高分子如羧甲基纖維素、半纖維素、殼聚糖、熒光染料以及葡聚糖內(nèi)切酶等可獲得不同微結構和聚集行為的纖維，而羧甲基纖維素或羧甲基甲殼素的導入使BC具有了吸收和交換金屬離子的

16、特性。此外，改變不同葡萄糖衍生物碳源可控制微纖維的納米尺寸，運用不同的模型可形成各種形狀的功能材料。4.2化學改性生物改性雖然是一種綠色可持續(xù)的方法，但是存在微生物發(fā)酵環(huán)境要求嚴格、培養(yǎng)周期長、成本高等問題。相比于生物改性，化學改性合成衍生物目標明確，不受試劑種類的限制且反應時間短，也是一種很有開發(fā)潛力的BC改性途徑。目前國內(nèi)對植物纖維素的改性研究已經(jīng)有了很深入的研究，而BC與植物纖維素一樣可以進行羧甲基化、乙酰化、磷酸化、磺酸化以及多種接枝共聚反應和交聯(lián)反應，以制備一系列纖維素衍生物。BC有著比植物纖維素更優(yōu)良的性能，獨特的納米纖維結構使其比表面積更大。在化學反應過程中，BC分子鏈上的-OH

17、具有更高的活性和可及度，因而相對于植物纖維素BC反應速度快、反應時間短。但是BC高的結晶度和強的分子之間作用力使得其溶解性能很差，不溶于酸堿以及常用的有機溶劑，均相反應較難實現(xiàn)，因而目前主要是通過表面改性和非均相改性的方法對BC進行改性。4.3復合改性復合改性相對于前兩種改性方法來說，操作更加簡單環(huán)保，能在一定程度上改善BC的力學、光學、細胞粘附等性能，也是一種比較實用的方法。Cai等將BC水凝膠膜直接浸入膠原（COL）溶液中一定時間后經(jīng)冷凍-解凍制得COL-BC復合水凝膠。膠原的引入明顯提高了BC對3T3成纖維細胞黏附性，同時膠原對BC也起到了一定的增強作用。COL-BC復合支架材料具有較好

18、的生物活性，有利于細胞的黏附增殖，同時還具有較高的力學強度，是一種具有廣闊應用前景的生物醫(yī)用材料。Wang等將BC膜在一定濃度的PVA溶液中浸泡一定時間后經(jīng)冷凍-解凍法，溶脹平衡，真空干燥制得BC-PVA復合膜材料5細菌纖維素在生物醫(yī)學材料中應用細菌纖維素由于具有獨特的生物親和性、生物相容性、生物可降解性、生物適應性和無過敏反應，以及高的持水性和結晶度、良好的納米纖維網(wǎng)絡、高的張力和強度，尤其是良好的機械韌性，因此在組織工程支架、人工血管、人工皮膚以及治療皮膚損傷等方面具有廣泛的用途，是國際生物醫(yī)用材料研究的熱點之一。5.1BC在組織工程支架中的應用生物相容性對于組織工程支架的構建是必不可少的

19、。在研究組織工程 BC支架構建中， 體內(nèi)生物相容性的評價非常重要。H elenius等系統(tǒng)地研究了BC的體內(nèi)生物相容性。實驗中他們把 BC植入老鼠體內(nèi) 112 周，利用組織免疫化學和電子顯微鏡技術，從慢性炎癥反應、異物排斥反應以及細胞向內(nèi)生長和血管生成等方面的特征來評價植入物的體內(nèi)相容性。結果發(fā)現(xiàn)植入物周圍無肉眼和顯微鏡可見的炎癥反應，沒有纖維化被膜和巨細胞生成。 BC被成纖維細胞侵入，與宿主組織融為一體，未引起任何慢性炎癥反應。因此可以斷定 BC的生物相容性非常好，在組織工程支架構建方面具有潛在價值。5.2BC在人工血管中的應用眾所周知，當血管由于動脈硬化、血管老化或破損等原因不能正常工作時

20、，需進行血管移植重建。全世界每年要施行的許多血管重建手術由于自體血管來源有限，而異體血管強烈的排異作用， 以及來源少和價格昂貴等原因，常不得不使用人工合成血管作為替代品。目前，國際臨床上使用最廣泛的、用于替代大于 6 mm的人工血管是編織型的滌綸聚酯血管和膨體聚四氟乙烯血管， 這是因為它們結構穩(wěn)定性好， 在體內(nèi)可長期工作而不發(fā)生降解，但是它們?nèi)源嬖谥簧偃秉c和不足，譬如血栓的形成和新生內(nèi)膜增厚導致血管堵塞，至今尚無十分理想的血管替代物。基于同樣原因，用于置換小于 6 mm的動、靜脈血管的人工血管還沒有開發(fā)成功。臨床上是采用自體血管進行修復，例如冠狀動脈搭橋手術。近 30年來， 人們一直在致力于

21、這方面的研究。5.3BC在人工皮膚以及皮膚損傷治療中的應用自 1987 年以來有近 10 個皮膚傷病醫(yī)療單位已報道 400多例應用 BC膜治療燒傷、燙傷、褥瘡、皮膚移植、創(chuàng)傷和慢性皮膚潰瘍等取得成功的實例，現(xiàn)已有用其制成的人工皮膚、紗布、繃帶和創(chuàng)口貼等傷科敷料商品。與其它人工皮膚和傷科敷料相比，該膜的主要特點是在潮濕情況下機械強度高、對液、氣及電解物有良好的通透性、與皮膚相容性好， 無刺激性，可有效緩解疼痛，防止細菌的感染和吸收傷口滲出的液體，促進傷口的快速愈合，有利于皮膚組織生長。此膜還可作為緩釋藥物的載體攜帶各種藥物，利于皮膚表面給藥，促使創(chuàng)面的愈合和康復。6結束語生物醫(yī)學材料由于直接關系

22、到人類的生命與健康，且面臨著全球人口的巨大市場需求， 因而得到世界各國的廣泛重視。目前對細菌纖維素的研究主要集中在附加值較高的醫(yī)學生物材料上，例如組織工程支架、骨支架、軟骨支架、人工血管、人工皮膚以及藥物載體等方面。但是真正能應用到臨床上的產(chǎn)品還不多，除了巴西的商品BioFill外，大部分的研究還停留在細胞水平和動物實驗等初級階段，離臨床應用仍有一定距離。在我國，人們對細菌纖維素的了解和認識還不足，對其研究尚處于初級階段，大部分集中在食品、食品添加劑和造紙應用等方面，在生物醫(yī)用材料上的開發(fā)應用上相關報道較少。由于細菌纖維素具有優(yōu)秀的生物親和性、生物相容性、生物適應性和良好的生物可降解性，因此該

23、纖維素必將成為世界上性能優(yōu)異的新型生物納米高技術材料。 目前 BC應用的主要技術障礙一是發(fā)酵水平較低，產(chǎn)量低、成本高、價格不抵普通植物纖維素，二是進一步研究和利用 BC的成模和成型的工藝技術還沒有解決，三是做為生物醫(yī)用材料，其與生物體長期作用效果、體內(nèi)的降解性、與宿主組織和細胞相容性，以及在體內(nèi)時 BC的機械、物理和化學性能的變化等一系列問題還需要進一步研究。要解決上述問題，今后的研究方向主要有兩個：一是要研究設計可行的發(fā)酵設備及發(fā)酵工藝以提高纖維素產(chǎn)量，降低其成本；二是要研制開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的 BC生物醫(yī)用材料。參考文獻：1 胡曉燕,曲音波等. 細菌纖維素的研究進展. 纖維素科學與技術,

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