细菌纤维素

改性纤维素在卫生领域的研究及应用情况（昆明理工大学化学工程学院轻化工程2010级肖任）摘要：纤维素是自然界最丰富的自然资源，在未来对于解决人类面临的能源、资源、和环境污染等问题方面有非常重要的作用，但是纤维素分子中由于高密度的氢键影响作用，使之在医疗卫生领域等方面受到了很大的限制。

综述近年来通过对纤维素化学改性合成可以得到纤维素衍生物在医疗卫生方面的应用。

其中，细茵纤维素是一种天然的生物高聚物，具有生物活性、生物可降解性、生物适应性，具有独特的物理、化学和机械性能，例如高的结晶度、高的持水性、超细纳米纤维网络、高抗张强度和弹性模量等，因而成为近年来国际上新型生物医学材料的研究热点。

概括细茵纤维素的性质、研究历史以及在生物医学材料上的应用，重点阐述细茵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。

关键词：纤维素、细茵纤维素、组织工程支架、人工血管、人工皮肤、化学改性、医疗卫生Modified cellulose in health field research and should use situationCellulose is the most abundant natural resources of nature, in the future to solve human beings are facing with the energy, resources, and environment pollution and so on has a very important role, but cellulose molecules due to the high density of hydrogen bond effect, make in the medical and health fields was much limited. Recent advances in chemical modification of cellulose by synthesis can get cellulose derivatives in medical applications. Among them, the fine wormwood cellulose is a kind of natural biopolymer, with biological activity, biodegradable property, biological adaptability, has a unique physical, chemical and mechanical properties, such as high degree of crystallinity, high water binding capacity, ultrafine nano fiber network, a high strength and modulus of elasticity, etc., and become in recent years international new biomedical materials research hot spot. The nature of the cellulose in fine wormwood, historical study and the application of biomedical materials, the paper fine wormwood cellulose in tissue engineering scaffolds, artificial blood vessels, artificial skin and the treatment of skin damage and the application of the current research status.Keywords: cellulose, fine wormwood cellulose, tissue engineering scaffolds, artificial blood vessels, artificial skin, chemical modification, medical and health细菌纤维素( bacterial cellulose，简称 B C) 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A c e t o b a c t e r ，R h i z o b i u m，A g r o b a c t e r i u m和S a r c i n a等，其中研究最多、产量最高的是A c e t o b a c t e r x y l i n u m( A ．x y l i n u m，木醋杆菌) 。

从纤维素的分子组成看，B c和植物纤维一样都是由B - D- 葡萄糖通过B ．1 ，4 精苷键结合成的直链，直链间彼此平行，不呈螺旋构象，无分支结构，又称为 B - 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。

1 细菌纤维素的特性由A ，x y l i n u m产生的B c和植物或海藻产生的纤维素在化学性质上是相同的，但B C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。

微纤维组成独特的柬状纤维，其宽度大约为100 n m左右，厚度为3～8 n m，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I ／ 1 0；( 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1．5×100 个葡萄糖分子，以平面静态浅盘培养，年产量在1 0 t ／666.7平方左右，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。

B C经洗涤、干燥后，杨氏模量可达10 M P a ，经热压处理后，杨氏模量可达3 0 MP a ，比有机合成纤维的强度高4倍；( 5 ) 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60—700倍于其干重的水份，即有非凡的持水性，并具有高湿强度；( 6 ) 极佳的形状维持能力和抗撕力。

B C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B C。

如木醋杆菌能利用葡萄糖与乙酰葡萄胺合成N一乙酰氨基葡萄糖，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。

White等【3】曾报道利用A c e t o b a c t e r 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，以用于治疗烧／烫伤的手部皮肤；( 9) 可利用广泛的原料进行生；( 1 0 ) 提取过程简单。

2 细菌纤维素的研究历史有关B C的研究最先由B mw n 【4】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B C的形成机制做了研究。

Hestrin 等【5】在1 9 4 7年第一次详细阐明A ．x y l i n u m合成纤维素的机制。

1 9世纪50年代期间，相关学者发表了一系列有关B C的研究论文。

S c h r a m m等【6】在1 9 5 4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E l h a n a n—G r o me t 等【8】于1 9 6 2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“N a t a ”的方法【9 , 1 0 】。

但是直到1 9 6 7年，才由L a p u z等【11】证实“N a t a ”实际上是由A ．x y l i n u m产生的纯纤维素。

关于B C的早期研究有很多是围绕提高“N a t a ”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A．x y l i n u m合成纤维素的生物模型机制。

1977年 C o l v i n 等【12】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1 9世纪8 O年代，人们才渐渐认识到B C是一种具有潜在商业价值的生物材料，因此对A ．x y l i n t t m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We y e r h a e u s e r 和G e ms C o r p组成的研究小组在深层搅动发酵罐中以A ．x y l i n u m为菌株生产B C t 1 4 ] 。

到80年代末期，很多有关BC 的商业化应用都申请了专利。

1992—1993年，Ok I y a ma等【1 5 , 1 6】报道了实验室大规模培养及通过改进发酵罐的设计生产B C的文章。

接下来对B C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【17】。

目前的研究热点主要是将B C应用于高附加值的产品，尤其是生物医用材料上。

1990年和1991年日人Y砌a I I a k a 【1 8 , 1 9】首次以该纤维素制备人工血管获了成功。

2001年和2003年K l e m n等[【20 , 21】则以此材研制成功小直径( 1—3 I t l l n内径) 人工血管。