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
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。