细菌纤维素的研究和应用新进展

纤维素是地球上最丰富的生物聚合物，主要分布于植物如树木、棉花等中，它是形成植物细胞壁的主要成分，也是形成许多真菌、藻类细胞壁的主要成分。随着人们对纤维素类产品需求的增加，人们获取纤维素的方法正不断地改进和更新。近年，发现一些细菌也能产生纤维素，其结构、理化特性和生化特性等皆与植物纤维素有较大的差异，与植物纤维相比，细菌纤维素(Bacterial Cellulose，BC)是由超微纤维组成的超微纤维网。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,而且是自1989 年Yamanaka 等[1]发现BC具有独特的功能后，以微生物作为载体，在分子水平上有高纯度、高结晶度、绿色环保的BC成为世界上公认的性能优异的新型生物学材料。本文就BC的结构、性质、研究历史以及在生物医学材料上的应用综述如下。

1细菌纤维素的结构与特性

1.1细菌纤维素的结构特点：BC是由葡萄糖分子以β-1,4糖苷键聚合而成的一种具有多孔性结构及一定纳米级孔径分布的高分子材料[2]。早在1940 年，人们就用电镜观察到BC由独特的束状纤维组成，这种束状纤维的宽度大约为100 nm，厚度为3～8 nm，每一束由许多微纤维组成，而微纤维又与其晶状结构相关。术醋杆菌（A.xylinum）是合成BC最强的细菌之一[3]，BC的生物合成可分为聚合、分泌、组装、结晶四大过程，这四大过程是高度耦合的，并和细胞膜上的特定位点密切相关。

1.2 细菌纤维素有许多独特的性质：①强的持水性和透气性：BC是一种水不溶性的惰性支持物，有很多“孔道”,有良好的透气、透水性能。依据合成条件的不同，它能吸收60～700倍于其干重的水份[2]，未经干燥的BC的强持水性能(waterretentionvalues，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BC在水中的再溶胀能力与棉短绒相当，即有非凡的持水性,并具有高湿强度[4]；②高化学纯度和高结晶度：BC是一种“纯纤维素”，以100%纤维素的形式存在,不含半纤维素、木质素、果胶和其他细胞壁成分,结构单一，提纯过程简单；③较高的生物适应性和生物可降解性：Helenius等[5]开展了BC植入小鼠皮下组织的生物适应性研究及Klenm等[6]用BC微管材料取代老鼠颈动脉的研究都表明BC与老鼠身体没有任何排斥反应。在自然环境中,在酸性、微生物以及纤维素酶催化等条件下可最终降解成单糖等小分子物质，不污染环境，是环境的友好产品[7]；④高抗张强度和弹性模量：纤维直径在0.01～0.1μm之间,纤维模数为一般纤维的数倍至十倍以上，BC经洗涤、干燥后,杨氏模量可达10MPa,经热压处理后,杨氏模量可达30MPa,比有机合成纤维的强度高4 倍；⑤BC生物合成时具有可调控性：通过采用不同的培养方法、培养条件，可以得到各种不同性质BC[8]，在BC合成过程中及合成后都能对其结构进行修饰，如木醋杆菌能利用葡萄糖与乙酰葡萄胺合成N-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[9]；⑥极好的形状维持能力和抗撕力：BC膜的抗撕能力比聚乙烯膜和聚氧乙烯膜要强5倍；⑦抗菌性和防腐性：研究表明质量分数为3%e-PL溶液处理后的BC膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有足够的抑菌效果；⑧可利用广泛的基质进行生产。

2细菌纤维素的研究与应用

2.1 细菌纤维素的形成机制等基础研究：1886年，Brown[10]最先发现并报道BC。他观察到在醋酸发酵过程中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 BC的形成机制做了研究，相关学者发表了一系列有关 BC的基础研究论文。Hestrin等[11]在1947年第一次详细阐明A. xylinum 合成纤维素的机制。Schramm等[12]在1954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[13],同一个课题组的ElhananOGromet等[14]于1962年研究了纤维素合成过程中的中间产物。后期研究主要集中在A.xylinum 合成纤维素的生物模型机制。1977 年,Colvin等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。1992～1993 年, Okiyama 等[15-16]报道了实验室大规模培养及通过改进发酵罐的设计生产BC的文章。Fontana等将咖啡因和黄嘌呤添加到醋酸菌的培养基中，发现它们对纤维素的产量有促进作用。

2.2 细菌纤维素在非医学领域的应用

2.2.1造纸工业：BC具有结晶度高、分子取向好、机械强度高的特点，添加到制浆中，纤维素大分子上的羟基产生氢键结合，纸张可以达到很好的湿强度、干强度、耐用性、吸水性等性能，可广泛应用于各种特种纸。因此，Ajinomoto公司与日本三菱公司合作开发用于流通货币制造的特殊纸，生产出了质量好，抗水性能好，强度高、抗膨胀性能的特殊纸品。加有菌纤维的高级书写纸吸墨均匀性、附着性好。菌胶纤维机械匀浆后与各种相互不亲和的有机、无机纤维材料混合后制造不同形状用途的膜片和无纺织物布和纸张产品十分牢固。将其作为造纸原料，能免去一般植物纤维脱木质素的制浆过程，提高纸张强度和耐用性。从而解决了废纸回收再利用后纸纤维强度下降的问题，并可以利用其生物可降解性而有利于三废处理和环保。

2.2.2食品行业：由于BC具有非常好的持水性、粘稠性和稳定性，因此，在食品工业中可作为增稠剂、胶体填充剂等；同时也可以食品原料，用于饮料、功能食品的制造。利用Az纤维素的凝胶和高持水特性及其产物醋酸、醇酯和乳酸等混合物的特殊风味作为人造肉、人造鱼、香肠、火腿肠中食品成型剂、增稠剂、分散剂、抗溶化剂、改善口感作为肠衣和某些食品的骨架，成为一种新型重要食品基料，有的发展成为保健食品。

2.2.3 声学器材及建材方面：利用细菌性纤维素的高杨氏模量和很强的形状维持性，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，携手开发了用醋菌纤维素制造的超级音响、麦克风和耳机的振动膜，几乎没一种材料达到像醋酸纤维素膜那样既高传递速度又高内耗的双优性能。这大大改善了音质利用高弹性高强度性质产生的建材及塑料，其安全性更高。

2.2.4 重金属吸附材料：功能性BC作为一种重金属吸附材料虽已有报道，但其吸附性能相对不高。所以，为了提高BC膜材料的吸附性和选择渗透性，利用生物、化学方法对BC进行改性以获得更高吸附性能的BC复合材料也在研究中。Tokura等[17]在利用Acetobacter xylinum制备BC的培养基中加入羧甲基纤维素(Carboxymethyl Cellulose，CMC)或羧甲基甲壳素，制得了具有一定取代度的羧甲基BC(CM．BC)，它具有较好的离子交换能力，与BC相比，CM-BC对铅和铀离子有特殊的吸附能力。

2.2.5 纺织行业：由于纤维素的高度吸水性、持水性，故在纺织工业上有广泛应用，如毛巾等日常用品。服装方面，在面料中加入这种物质后，其方便性增强，舒适感增加，还可以作为精密仪器的防潮材料。

3细菌纤维素在医学领域的应用

3.1 在组织工程中的应用：2005年，Schumann[18]将BC长期植入老鼠体内（1年），然后借助组织免疫和电子显微镜等手段研究老鼠的内皮细胞、肌肉细胞、弹性结构和结缔组织等不同结构的变化。同年，Svensson等[19]发现以BC作为软骨组织工程支架效果良好，利用牛软骨细胞来评价自然的BC材料,结果表明，未经修饰的自然BC材料在保持良好的机械性能的前提下，Ⅱ型胶原基质可达到正常软骨表达的50%左右，并且支持软骨细胞的增殖。接下来,未修饰的BC被进一步用于人软骨细胞研究,发现其支持人软骨的增殖,同时透射电镜（TEM）也进一步证实软骨细胞向BC支架内生长的事实。Bodin等[20]用硅树脂作为模具，制备出半月板形状的BC材料，综合BC材料的优异力学性能。良好的塑形性能，并且维持软骨分化、支持软骨细胞的迁移增殖。Hong[21]、Wang[22]和Hutchens等[23]的研究发现BC可做为一种合适的基质用于生物陶瓷沉积和晶核的形成。2009年，郑敬彤等[24]研究大鼠脂肪干细胞与BC膜的复合培养结果表明生长于BC膜上的脂肪干细胞不仅能够增殖，随着培养时间的延长，细胞数量不断增加。免疫荧光染色结果显示，脂肪干细胞在BC材料上仍能很好表达脂肪干细胞标记蛋白，保持脂肪干细胞原有的生物活性。预期将来BC在组织工程领域会有较大的应用空间。在软骨或骨组织工程研究中，BC以其独特的性能、在湿态时优异的力学性能、原位可塑性开始受到关注。

3.2 细菌纤维素在人工血管和显微外科的应用：1991年， Yamanaka等首次研究BC用于人工血管。2001年和2003年Klem 等[25] 就报道了一种利用Acet0bacter xylinum原位成形制备的BC应用于显微外科手术的人工血管。2004 年，Klemm等[26]进一步证实BASYC具有生物活性和相容性，BC完全符合显微外科中人工血管的物理和生物要求。2006年，Henrik等研究了BC作为潜在的组织工程血管支架的机械性能，结果表明细菌纤维的应变能力与动脉血管相似,这很可能是由于纳米纤维结构的相似性造成的。PaulA Charpentier等[27]把医用聚酯纤维经过等离子体亲水改性后，在表面涂层BC制成基于BC的血管修复装置，克服了用聚酯和其他涂层剂制作血管修复装置存在的问题。Bodin等[28]研究了Acetobacter xylinum 原位静态培养时不同浓度的氧含量对BC管机械性能的影响说明了BC材料可以提供内皮细胞良好的黏附增殖。Ananda等[29]用特殊发酵方法制备了管状BC，这种管状BC机械性能好，可应用于人工血管的制备。

3.3 在人工皮肤和创伤敷料的应用：巴西自1987年以来有近10个皮肤伤病医疗单位已报道400多例应用醋菌纤维素膜治疗烧伤、烫伤、皮肤移植、创伤等治疗取得成功[30-31]，已发展成人工皮肤、纱布、绷带和“创可贴”等伤科敷料商品。马霞[32-34]报道了以BC作为创伤辅料的研究，也发现BC膜表面孔径具备作为人工皮肤支架的物理条件，适于成纤维细胞和毛细血管的长入。Phisalaphong等在发酵培养基中添加低分子质量的壳聚糖以培养微生物，并制备出了壳聚糖/BC复合材料，该材料在处理烧伤、褥疮、难以愈合的伤口以及需要频繁更换敷料的伤口等具有很好的应用价值。Maneerung等制得的掺杂有纳米银粒子的BC复合材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有抗菌效果，用其制成的创伤敷料能大大减少伤口感染风险。为了应用于皮肤创伤，在1990年，Fontona等[35]首次报道了厚度可变的BC膜在作为手术缝合线、去疤痕等方面的应用。Slezak等[36]将BC膜产Bioprocess作为伤口敷料，结果表明BC膜具有低选择性、对水和其它溶液易透过性（葡萄糖水溶液、蔗糖、乙醇、Nacl、Kcl等）的特点。他们认为这些材料可用于烫伤和溃疡的治疗。Czja等[37]研究了BC在治疗二级和三级烧伤方面的应用前景,他们对20 例患者做了一项医学研究: 将BC创伤敷料直接覆盖在新鲜烧伤达9%～18%创面上,接下来观察创伤以及伤口周围环境的变化、观测表皮生长、检测微生物和研究组织病理学,结果显示, BC是一种很好的促进烧伤愈合的材料。

4设想与展望

细菌纤维素作为一种极具应用潜力的生物学材料，虽然人们发现的较早，但对其功能特性的研究仅10年左右，因此，我们应从分子生物学的角度对其加以深入研究，进一步明确其生成和作用机理，拓展其新的应用领域。BC最重要特性之一是纯度极高，这也是BC与植物纤维素的主要区别。通常除去植物纤维素的半纤维素和木质素很困难。由于BC这种独特的性质，使其具有超微纤维网结构。目前，BC应用的主要技术障碍：①发酵水平较低,产量低、成本高、价格不抵普通植物纤维素；②进一步研究和利用BC的成模和成型的工艺技术还没有解决；③做为生物医用材料,其与生物体长期作用效果、体内的降解性，与宿主组织和细胞相容性,以及在体内时BC的机械、物理和化学性能的变化等一系列问题还需要进一步研究。

要解决上述问题,今后的研究方向主要有两个:①要研究设计可行的发酵设备及发酵工艺以提高纤维素产量,降低其成本；②要研制开发具有自主知识产权的BC生物医用材料。因此，我们应采用基因工程和高密度培养等手段来提高BC的合成效率，同时应加强BC合成的动力学研究，设计合理的生物反应器，早日实现BC在我国的商品化。

[参考文献]

[1]Yamanaka S.The structure and mechanical properties of sheets prepared from bacterial cellulose[J]. Mater Science，1989,24(2):3141-3145.

[2]李 ,王华平,陈仕艳. 一种潜在的组织工程支架材料-细菌纤维素[J].组织工程与重建外科杂志,2009,5(2): 111-113.

[3]范丽霞,王锡彬,杨先会.细菌纤维素生物理化特性及其应用[J].海南医学院学报,2004,14(4):279-281.

[4]Yamamoto H,Horii H.Analysis of the crystal transformation Induced for vdonia cellulose by annealing at high temperatures[J].Mareomolecules,1993,26(3):1313-1317.

[5]Helenius G,Backdahl H,Bodin A.In vivo biocompatibility of bacterial cellulose[J].Biomed Mater Res A, 2006,76(2):432-438.

[6]Klenm D,Schumann D,Udhardt U.Bacterial synthesized cellulose-Artificial blood vessels for microsurgery[J].Prog Polym Sci,2001,26(3):1561-1603.

[7]Kenji T,Masashi F,Mitsuo T.Synthesis of Acetobacter xylinum bacteral cellulose composite and tis mechanical strength and biodegradability[J]. Mokuzai Gakkaishi,1995,41(8): 749-757.

[8]Watanabe K,Tarbchi M,Morinaga Y.Structural features and properties of bacterial cellulose produced in agitalted culture[J].Cellulose,1998,5(3):187-200.

[9]Shirai A,Takahashi M,Kaneko H.Biosynthesis of a novel polysaccharide by Acetobacter xylinum[J]. International Journal of Biological Macromolecules,1994,16(6): 297-300.

[10]Schramm M,Hestrin S.Factors affecting production of cellulose at the air- liquid interface of a culture of Acetobacter xylinum[J].J General Microbiol,1954,11(3):123-129.

[11]Schramm M,Gromet Z,Hestrin S.Synthesis of cellulose by Acetobacter xylinum. IV. Enzyme systems p resent in a crude extract of glucose grown cells[J].Biochem J,1957,67(5):679-689.

[12]Elhanan O,Gromet Z,Hestrin S.Synthesis of cellulose by Acetobacter xylinum. VI growth on citric acidcycle intermediates[J].Bacteriology,1962,85(3):284-292.

[13]Okiyama A,Shirae H,Kano H,et al.Bacterial cellulose two stage fermentation process for cellulose production by Acetobacter aceti[J].Food Hydrocolloids,1992,6(5):471-477.

[14]Okiyama A,Motoki M,Yamanka S.Bacterial cellulose III. Development of a new form of cellulose[J]. Food Hydrocolloids,1993, 6(6):493-501.

[15]Sakairi N,Suzuki S,Ueno K,et al.Biosynthesis of hetero-polysacch arides by Acetobacter xylinum-synthesis and characterization of metalion adsorptive properties of partially carboxymethylated cellulose[J]．Carbohydrate Polymers,1998,37(4):409-414.

[16]Svensson A,Nicklasson E,Harraha T,et al.Bacterial cellulose as a potential scaffold for tissue engineering of cartilage[J].Biomaterials,2005,26(5):419-431.

[17]Hong YL,Wang SR,Jia，et a1．Hydroxyapatite-bacterial cellulose composites synthesized via biomimetie route[J]．Materials Leaers，2006,60(2):1710-1713.

[18]Wang YZ,Huang Y,Yuan CD.Biomimetic synthesis of hydroxyapatite-bacterial cellulose nanocomposites for biomedical applications[J].Materials Science and Engineering C，2007，27(4):855-864.

[19]郑敬彤,石 毅,贾原媛,等.大鼠脂肪干细胞与细菌纤维素膜的复合培养[J].中国组织工程研究与临床康复,2009,13(1): 84-87.

[20]Klemm D,Schumann D,Udhardt U,et al.Bacterial synthesized celluloseOartificial blood vessels for microsurgery[J].Polymer Science,2001,26(3):1561-1603.

[21]Paul A.Charpentier，Anne Magnire．Surface modification of polyester to produce a bacterial cellulose-based vascular prosthetic device[J].Applied Surface Science，2005，9(3)：64-68.

[22]Bodin A.Backdahl H,Fink H.Influence of cultivation conditions on mechanical and morphological properties of bacterial cellulose tubes[J].Biotechnology and Bioengineering，2007,97(2):425-434.

[23]Ananda P，Akira K，Hidemitsu F，et a1.Tubular bacterial cellulose gelnm oriented fibrils on the curved surface[J].Polymer,2008,49(4):1885-1891.

[24]Geyer U,March S,Schmaceder HP.Formation derivation and application of bacterial cellulose [J].Biol Macromol,1994,16(2):343-347.

[25]Fumihiro Y，Naoco T，Kumibiko W.Research progress in production of bacterial cellulose by aeration and agitation culture and its application as a new industrial material[J].Biosci Biocech Biochem，1997,61(3):219-224.

[26]马 霞, 陈世文, 王瑞明,等.纳米材料细菌纤维素对大鼠皮肤创伤的促愈作用[J].中国临床康复,2006,12(37):45-48.

[27]马 霞, 张 华, 陈世文,等. 生物新材料细菌纤维素与深Ⅱ度烧伤大鼠皮肤的创面愈合[J].中国组织工程研究与临床康复, 2009,13(34):6793-6796.

[28]马 霞, 张 华, 陈世文. 细菌纤维素膜作为创伤性敷料的可行性[J].中国组织工程研究与临床康复,2010,14(12):2261-2264.

[29]Fontana JD,De Souza AM,Fontana CK,et al.Acetobacter Cellulose Pellicle as a Temporary Skin Substitute[J].Appl Biochem Biotechnol,1990,24(25):253-264.

[30]Slezak A,Kucharzewski M,Sicron A,et al.Testing the osmotic-diffusion properties for the membranous dressing Bioprocess[J].Polim Med,1998,28(3-4):3-10.

[31]Czaja WK,Young DJ,Kawecki M.The future prospects of microbial cellulose in biomedical applications[J]. Biomacromolecules,2007,8(1): 1-12.

[收稿日期]2011-03-23 [修回日期]2011-04-13