浅谈细菌纤维素基人工皮肤应用进展

摘要：细菌纤维素作为一种新型纳米纤维材料，以其独特的超细纤维网状结构、卓越的机械性能、良好的生物相容性和生物可降解性在生物医用领域引起了人们的广泛关注。概括细菌纤维素的特性以及生物医学现状，重点阐述细菌纤维素在人工皮肤方面的应用进展，以研究开发价廉、安全、高效的细菌纤维素基人工皮肤。

关键词：细菌纤维素；人工皮肤；湿性敷料

中图分类号：R322.99 文献标识码：C 文章编号：1005-0515（2013）8-021-02

细菌纤维素（Bacterial cellulose， 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，醋酸菌属中的木醋杆菌 Acetobacter xylinum（现已更名为：葡糖醋杆菌 Glucoacetobacter xylinum）因为纤维素产率最高而被广泛用于细菌纤维素基础研究以及应用研究的模板微生物。作为一种新型纳米纤维材料，其以细菌细胞内部作为生物合成反应器，将葡萄糖小分子在酶催化作用下经过一系列复杂的变构过程最终通过β-1，4-糖苷键结合形成β-1，4-葡萄糖链由细菌系细胞侧面的催化位点挤出。β-1，4-葡萄糖链彼此之间通过分子内与分子间氢键作用，逐步、分层地形成脂多糖层、类晶团聚体、纤维素微纤并最终形成纤维素。这种材料除了与植物或海藻纤维素具有相似的化学组成外，还具有独特的物理、化学和机械性质。本文就细菌纤维素的特性及生物医学现状进行概括，重点阐述细菌纤维素在人工皮肤方面的应用进展。

1、细菌纤维素的特性

由Acetobacter、Agrobacterium、Pseudomonas、Rhizobium和Sarcina等微生物生化合成的生物纤维素――细菌纤维素（Bacterial cellulose， BC），这种材料除了与植物或海藻纤维素具有相似的化学组成外，还具有独特的物理、化学和机械性质：（1）超细网状结构。细菌纤维素是由直径3～4纳米的微纤组合成40～60纳米粗的纤维束，并相互交织形成发达的超精细网络结构。（2）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2 000～8 000），赋予材料出色地力学强度以及力学韧性。（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 （water retention values， 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；并有非凡的持水性和高湿强度。（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。其作为一种新型的天然纳米生物材料，已广泛的应用于食品、医学材料、造纸、声音振动膜等领域，细菌纤维素出色的理化特性以及良好的生物相容性使其在生物医用领域有着非常广泛的应用。

2、细菌纤维素的生物医学现状

纤维素是丰富的天然聚合物， 主要分布于植物以及真菌、藻类中。 其中，细菌纤维素（Bacterial cellulose， BC）以其独特的超细纤维网络结构、卓越的机械性能、良好的生物相容性和生物可降解性在生物医用领域引起了人们的广泛关注。自 1987 年以来，关于用细菌纤维素膜治疗烧伤、烫伤、褥疮、皮肤移植、创伤和慢性皮肤溃疡等成功病例已屡见不鲜，并且已经有用于人工皮肤、纱布、绷带等的敷料产品[1]，如由Fontana 等[2]研发的细菌纤维素产品 Biofill?，已经被证明在二级和三级烧伤、烫伤、皮肤移植、慢性皮肤溃疡等皮肤损伤方面有非常显著的疗效。另外，Xylos 公司推出的由 Alvarez 等[3]研制的XCells?纤维素创伤敷料和 XCellsR抗菌创伤敷料也已在临床上得到了广泛的应用。 同时，细菌纤维素材料已经被证明可以应用在人工血管、药物载体以及引导组织再生等方面[4-6]。

随着医学的发展，人们对细菌纤维素作为一种优秀的生物材料在组织工程方面的应用进行了大量研究。其中主要包括软骨组织、血管组织、骨组织等体内组织工程以及创伤、烧伤敷料、人造皮肤修复材料等体外组织工程这两个方面。[7-11]

但是目前在国内，细菌纤维素主要作为食品添加剂、膳食纤维保健食品等低附加值产品出现在市场上。基于细菌纤维素的组织工程生物医用材料的研究与开发仍然处于起步阶段。自主研发的细菌纤维素生物医用产品几乎没有，质量也参差不齐。因此在国内市场，细菌纤维素作为诸如敷料、人造皮肤等高附加值产品存在着巨大的临床需求以及潜在市场价值。

3、细菌纤维素在人工皮肤方面的应用进展

人体皮肤是人体最大的器官，是人体的天然屏障，对维持体内环境的稳定和阻止微生物入侵起重要作用。由于意外伤害、疾病等原因引起的皮肤缺损、溃疡、创伤等始终是人类面临不可避免的问题，因此人工皮肤历来受到关注。

随着科技的发展，生活水平的提高，人们对伤口复愈原理和伤口护理过程有了更深的理解，同时也对人工皮肤提出了更高的要求，许多新型的材料已经大规模地被应用在医用敷料及人工皮肤的生产中。

目前人工皮肤的研发主要采用生物相容性较好，有一定保湿性能的生物材料，以代替传统的医用敷料。如：纤维素类，甲壳素及甲壳胺类，海藻酸类等。20世纪80年代初，Courtaulds公司把海藻酸纤维引入作为医用纱布，此后英国的Advanced Medical Solutions公司在海藻酸中混入了羧甲基纤维素钠、维生素、芦荟等许多对伤口愈合有益的材料，希望进一步改善产品的性能。这类材料的主要特点是具有高吸湿性、成胶和止血性能，对流血、流脓较多的慢性伤口比较合适，已广泛地用于植皮、压疮和腿部溃疡等伤口。这类生物材料用作敷料吸收渗出液时有两种基本的吸收机理，海藻酸是将渗出液吸入纤维之中，而甲壳胺则将其吸收在纤维之间，在一定程度上阻止液体的扩散，不利于空气的进一步流通。

然而大量研究表明细菌纤维素具有良好的体内、体外生物相容性和良好的生物可降解性。极好的形状维持性能和形状可调控性。采用细菌纤维素制成的敷料可以为伤口提供促进愈合的，良好的潮湿的环境；并且敷料可以任意裁剪，与皮肤有极好的伏贴性，具有一定的镇痛效果；其超细网状结构、优异的机械性能和抗张强度使得辅料有一定的可缝性，便于固定。因此采用细菌纤维素作为抗菌材料的基材具有以往其它生物材料、织物等无可比拟的优点，有望成为一种较理想的医用敷料。

研究中发现1、细菌纤维素具有与皮肤良好的帖附性能，其纳米效应能够根据不同创口环境“智能”调节，完全粘附在创口表面，防止感染。2、同时细菌纤维素具有吸收、释放水分的双重功能，通过简单的物理化学改性，能够进一步调控，使细菌纤维素薄膜“智能化”，根据外界环境、伤口环境的变化自动调控释放水分或吸收水分。当伤口渗出液过多时，细菌纤维素基人工皮肤可以吸收水分，达到清创的目的；当伤口为干性伤口时，细菌纤维素基人工皮肤可以释放水分，达到伤口保湿的效果，促进伤口愈合。3、根据不同的伤口特性，细菌纤维素的纳米网络结构可以负载所需的药物，并通过吸收/释放双重功效完成缓释均匀给药，实现“智能”治疗。4、细菌纤维素自身具有良好的生物相容性，纳米网络纤维既可以模拟细胞外基质，提高细胞粘附、促进细胞增殖、加快伤口愈合，又可进行生物活化，制备仿真皮肤。

4、展望

以医用细菌纤维素纤维基人工皮肤的制备工程化为目标，制备具有良好生物相容性、动态保湿、缓释给药、阻菌抗菌的细菌纤维素基系列“智能”人工皮肤，满足不同皮肤创伤临床治疗需要。开发价廉、安全、高效的细菌纤维素基人工皮肤，为细菌纤维素在医用领域进一步应用创造条件。

参考文献：

1.Czaja W， Krystynowicz A， Bielecki S， et al. Microbial cellulose the natural power to heal wounds [J]. Biomaterials，2006，27：145-1

2.Fontana JD， de Sousa AM， Fontana CK， et al. Acetobacter cellulose pellicle as a temporary skin substitute [J]. Appl Biochem Biotechnol， 1990，24-25：253-264.

3.Alvarez O， Patel M， Booker J， et al. Wounds： a compendium of clinical research and practice [J]. 2004，16：224-233.

4.Klemm D， Schumann D， Udhardt U， et al. Bacterial synthesized cellulose-aetificial blood vessels for microsurgery [J]. Prog Polym Sci，2001，26：1561-1603.

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