复合细菌纤维素材料的研究进展

复合细菌纤维素材料的研究进展

刘文静,魏豪,王瑶,井冉

山东协和学院 商学院 山东济南 250107

摘要：细菌纤维素（BC）是一类由微生物合成的可降解环保型生物高分子材料。近年来，国内外研究者致力于对BC进行生物和化学改性，研制出多种复合细菌纤维素材料。复合细菌纤维素材料在一定程度上优化了BC的理化和生物学、材料学性能，拓宽了BC的应用范围和领域。本文简要介绍细菌纤维素的性质和应用，并对发展前景进行展望。

关键词：细菌纤维素、复合、应用

细菌纤维素（简称BC）是由微生物发酵合成的多孔性网状纳米级生物高分子聚合物，因其由细菌合成而命名为细菌纤维素。目前已知的细菌纤维素生产菌属有醋杆菌属、无色杆菌属、假单胞菌属、根瘤菌属、八叠球菌属、气杆菌属、固氮菌属、土壤杆菌属和产碱杆菌属等，其中研究最多、合成能力最强、生产潜力最大的菌种是木醋杆菌。

BC的纤维直径在纳米范围内，其相互交错无序排列形成微纳米级的孔隙，为许多小分子进入提供了合适的空间。以BC为模板，利用其纳米级的超细网络结构以及其表面大量 的活泼羟基，通过化学修饰、材料复合等途径，可以赋予BC更多特殊性能。

一、细菌纤维素的特性

1、1 纳米结构

细菌纤维素具有独特的束状纤维，其宽度约100ｎｍ，厚度为3—8ｎｍ，单根细丝纤维直径为2—5nm，属于纳米级纤维，其大小为人工合成纤维的1/10，在纤维研究中是目前发现最细的天然纤维。

1、2 高持水性和高透气性

细菌纤维素分子内有大量的亲水基团及很多孔道，因此具有良好的透气、透水和持水性能。根据实验条件不同，细菌纤维素可吸收比自身干重大60—700倍的水分，细菌纤维素膜的持水性能为600%—1000%。

1、3 高抗张强度和弹性模量

细菌纤维素因其分子内存在大量的氢键，而具有高杨氏模量，其经处理后， 弹性模量可达1.5×109Pa，这一性能满足其作为医用敷料、医用组织器官及其他产品的要求。细菌纤维素抗撕拉能力是同样厚度的聚乙烯和聚氯乙烯膜的6倍，证明了细菌纤维素膜比人类的动脉和静脉更有弹性。

1、4 高化学纯度和高结晶度

细菌纤维素是一种高纯度的纤维素，与植物纤维素相比，不含木质素、果胶、半纤维素及其他细胞壁成分，纤维素含量高达95％以上，分离提纯过程简单。此外，结晶度高达95％以上。结构均一，高于天然植物纤维。

1、5 良好生物相容性和生物可降解性

由于细菌纤维素是由微生物产生的，因此其具有良好的生物相容性和生物可降解性。用聚乳酸／聚乙醇酸比例为50:50的聚乳酸－共－聚乙醇酸修饰细菌纤维素后的材料，细胞相容性更优，可以成为用于组织修复的生物材料。通过利用高碘酸对BC进行氧化，制得的双醛细菌纤维素具有很好的可生物降解性能,为制备具有优良力学性能，生物相容和生物可降解性的BC基组织工程材料提供了良好的途径。

1、6 生物合成可调控性

生物合成细菌纤维素时具有可调控性。可根据实际需要，采用不同培养条件，制备出管状，片状等形状、大小、厚度和性质各异的细菌纤维素。此外还可通过改变菌体生长空间来改变纤维丝的分布，进而得到理想的模型形状。

1、7 产率高 、速度快

在30℃条件下动态培养105cfu/ml,木醋杆菌三天可分泌近200g膜状细菌纤维素。

1、8 可利用的原料较广泛

酒糟、腐烂水果、蔗糖、玉米浆、木薯等原料培养和提取过程，容易操作。

二、细菌纤维素的应用

2、1 生物医学方面的应用

生物医学是细菌纤维素研究中的一个重要方向。细菌纤维素良好的机械性能为其作为人工血管提供了支撑。许多研究人员致力于对BC的机械性能进行了研究，探究其是否可作为组织工程血管支架的原材料。

在生长条件适宜的情况下静态培养，模型菌种木醋杆菌分泌产生细菌纤维素薄膜，用SEM表征其表面形态，测其最大应力和弹性模量，结果表明细菌纤维素的应力和弹性模量可与猪动脉血管相媲美。生物医用材料另一方面的要求是材料需具有较高生物相容性、无细胞毒性、无组织免疫反应。评估生物体内相容性、免疫排斥反应是判断生物材料能否作支架材料不可或缺的一个环节。实验设计研究过程如下：首先在实验老鼠体内植入BC，从第一周到第十二周，利用化学的方法判断组织免疫特性，利用电子显微镜技术对慢性炎症反应、异物的免疫排斥反应、细胞生长方向和血管生成等方面进行了研究，综合以上结果评价BC在生物体内的相容性。结果中并未显示有炎症反应，也没有观察到巨噬细胞的形成。进一步对照实验表明，BC能促进细胞的增殖。由此推断生物相容性高，免疫排斥反应低的BC满足生物医用材料的要求，在生物医学上有广泛的应用前景。

2、2 抗菌敷料方面的运用 

采用二步法制备纳米氧化锌/细菌纤维素复合膜，结果显示：二步法制备的纳米氧化锌/细菌纤维素复合膜具有良好的孔隙率和纳米氧化锌结合稳定性，其透气性和物理力学性能得到进一步提高，且对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有较好的抗菌活性。开发了含有丝胶蛋白和聚六亚甲基双胍的细菌纤维素伤口敷料，该敷料具有良好的物理性质、功效和安全性，可用作医用材料。

2、3 组织工程方面的运用

设计了一种用于关节软骨组织工程的细菌纤维素支架。采用组合 方法依次进行藕粉表面改性、琼脂成孔模板三维结构构建、细菌纤维素底物羟基磷灰石沉积。体外细胞实验表明，该支架实现了细胞生长和成软骨细胞的良好分布，在培养14d后具有更高的细胞活力和总细胞数，证明了该复合支架的合理性。制备了大鼠胫骨缺损模型证实BC—HA膜促进骨再生的能力，体内试验结果表明，复合膜植入１周后无炎症反应；４周后，骨缺损被新骨完全填充。

三、展望

细菌纤维素由于具有良好的超细纤维、高持水性和高透气性、生物相容性、三维结构、机械强度、生物合成可调控性、原料广泛性等优良特性已被广泛应用于化妆品、食品、生物医学、废水处理、光电、造纸、检测分离领域等多个领域。随着科学技术的进步和研究水平的不断提高，人们对环境友好材料和多功能材料的要求越来越高。为了赋予BC更优异的性质，制备BC多功能复合材料的发展趋势愈发明显。

因此，对BC材料的改性和复合还需要进一步研究，以探索出更多未知的性能,满足不同行业领域的应用需求，实现其真正的价值。

参考文献

【1】王彩霞：细菌纤维素基复合水凝胶的制备及评价。

【2】弘轩，白波，赖琛等，高分子修饰细菌纤维素细胞相容性的初步研究，中华关节外科杂志（电子版）。

【3】卯海龙，韩永和，王珊珊等，细菌纤维素的合成原料多样性及其合成机制研究概况纤维素科学与技术。