細菌纖維素(BC)是某些細菌產生的純度很高的納米級纖維素,與植物纖維素相比,具有高結晶度、高純度、高機械強度和良好生物相容性等獨特的性質。BC作為一種新型的生物醫學材料,在人造血管、組織工程支架材料和傷口敷料等領域具有良好的應用前景。但是BC的大規模產業化應用還存在一些問題,如成本高、產量低和機械穩定性差等需要解決。
引用本文： 湯衛華, 賈士儒, 賈原媛, 殷海松. 納米生物材料細菌纖維素在醫學領域的應用研究. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(4): 927-929. doi: 10.7507/1001-5515.20140174 復制
引言
細菌纖維素(bacterial cellulose,BC)是一種由微生物合成的新型生物材料。與植物纖維素相比，它沒有木質素和半纖維素等伴生產物，具有高結晶度、超精細網絡結構、極高的抗張強度和良好的生物相容性等特性[1]。20世紀80年代，人們逐漸意識到BC是種具有潛在商業價值的生物材料，很多研究者在臨床醫用材料，如骨材料工程的支架、人造血管、傷口敷料等方面進行了大量的應用性研究，逐漸成為目前研究的熱點。
1 人造血管
據統計，全球每年超過60萬人需要進行血管重建手術。目前常采用人造血管作為替代物，大口徑人造血管(內徑＞6 mm)如編織型的滌綸聚酯血管和膨體聚四氟乙烯血管的研究和臨床應用已取得突破性進展。但小口徑人造血管(內徑＜6 mm)的研究由于順應性和通暢性等問題還沒有解決，一直是國際上人造血管研究的難點。開發新的小口徑人造血管，已是血管外科領域非常迫切的事情。
BC作為一種新型生物材料，具有其它很多血管替代物無法比擬的獨特性質，如與人大隱靜脈相似的順應性、良好的生物相容性、高機械強度等[2-3]。同時，BC還具有形狀可塑性和生物合成的可調控性。因此，很多學者開始探索小口徑BC管的制備方法。Bckdahl 等[4]采用孔徑為3 mm的硅膠管作為載體，發酵培養6 d得到小口徑的BC管。 Hyok 等[5]采用厚度為4 μm的聚乙烯作為載體，培養18 d后，可以得到高產量的小口徑BC管，該管具有較低的孔隙率，彈性模量達到13.6 GPa，是玻璃紙的5倍。還有學者將小口徑BC管植入動物體內探索其作為人造血管的可行性，如Malm等[6]以羊作為研究對象，將長度4 cm、內徑4 mm的BC管植入羊的雙側頸動脈，所植入的BC管上覆蓋匯合的內皮細胞，但是兩個星期內有50%的BC管被堵塞。這表明如將BC作為小口徑血管移植物的潛在材料，需在臨床研究前提高BC管在動物體內的通暢性。BC在動物體內雖然具有很好的生物相容性，但是細胞黏附性較差。基于此，Fink 等[7]對BC進行修飾，采用一種新型的木葡聚糖(xyloglucan,XG)綴合物法將細胞粘合肽RGD(Arg-Gly-Asp)黏附于BC管上，修飾后的BC管可促進人血管內皮細胞的黏附、增殖和代謝。
BC在生物合成過程中具有很強的可塑性，包括形狀、大小和性能等方面，因此通過微生物培養合成各種小口徑BC管是完全可行的，同時一系列動物實驗也表明BC 管是一種非常有潛力的人造血管材料。但是要作為臨床應用材料，BC管的很多性能如堵塞性、孔隙率和力學性能等還需要進一步完善。
2 組織工程支架
已有很多天然生物材料，如多聚糖、膠原、無機及生物衍生材料等用于組織工程支架的研究，這些材料都表現出良好的生物相容性。相比較而言，BC具有很好的力學性能、持水性、生物相容性、廣泛的溫度適應性和pH穩定性，同時具有多孔形態和可降解性[8-9]。目前，已開展BC在骨組織工程支架、人工角膜等方面的研究，如表 1所示。
表1
BC用于組織工程支架
Table1.
BC fused for tissue engineering scaffolds
3 傷口敷料
皮膚創傷是種常見損傷，快速修復創傷皮膚的有效手段是使用創傷敷料治療。基于BC膜的獨特納米結構，與其它傷口敷料相比，BC具有在潮濕的條件下機械強度高，對氣、液和電解質有良好的通透性，皮膚相容性好等特點，這些優良的物理性能有利于皮膚組織的生長和愈合，是一種新型的傷口敷料[16]，如表 2所示。
表2
BC用于傷口敷料
Table2.
BC for wound dressing applications
為了提高BC作為傷口敷料的功能，研究者們探索很多方法改善BC膜的性能。如Yu等[21]在木醋桿菌合成培養基中加入水溶性羧甲基纖維素，制備得到羧甲基BC，該復合物具備更好的保水能力和斷裂應力。Kim等[22]制備復合物BC/殼聚糖、BC/聚乙二醇和BC/明膠，這些復合物的生物相容性優于BC。Maneerung等[23]研究將銀納米粒子吸附在BC膜上，從而制備具有抗菌活性的傷口敷料，該敷料對大腸桿菌和葡萄球菌均有很強的抗菌能力，開創了BC制備新型抗菌活性傷口敷料的領域。
我國的馬霞等[24]探索了BC膜作為創傷性敷料的可行性，洪楓等[25]公開了用于急性創傷的BC基抗菌干膜的制備方法和應用實例，鄭裕東等[26]公開了一種磺胺嘧啶銀/BC復合傷口敷料的制備方法，邱竣等[27]在BC減輕增生性瘢痕方面也有研究。
4 展望
BC在醫用材料方面的研究是當今的熱點，但是大部分的研究還停留在細胞和動物實驗等初級階段，涉及到具體的臨床應用，還有許多問題需要解決。首先是BC產量過低、成本較高的問題。如要加快BC作為醫用材料的產業化進程，既要構建高產BC的菌株，尋找廉價的培養基(如啤酒酒糟等)來替代價格昂貴的培養基，又要改造能進行靜置和深層培養的生物反應器。其次是亟需解決BC作為支架材料在體內應用的一系列動態問題，比如探索BC與宿主細胞長期相處過程中生物相容性問題、體內降解性以及BC機械性能的變化等問題。
引言
細菌纖維素(bacterial cellulose,BC)是一種由微生物合成的新型生物材料。與植物纖維素相比，它沒有木質素和半纖維素等伴生產物，具有高結晶度、超精細網絡結構、極高的抗張強度和良好的生物相容性等特性[1]。20世紀80年代，人們逐漸意識到BC是種具有潛在商業價值的生物材料，很多研究者在臨床醫用材料，如骨材料工程的支架、人造血管、傷口敷料等方面進行了大量的應用性研究，逐漸成為目前研究的熱點。
1 人造血管
據統計，全球每年超過60萬人需要進行血管重建手術。目前常采用人造血管作為替代物，大口徑人造血管(內徑＞6 mm)如編織型的滌綸聚酯血管和膨體聚四氟乙烯血管的研究和臨床應用已取得突破性進展。但小口徑人造血管(內徑＜6 mm)的研究由于順應性和通暢性等問題還沒有解決，一直是國際上人造血管研究的難點。開發新的小口徑人造血管，已是血管外科領域非常迫切的事情。
BC作為一種新型生物材料，具有其它很多血管替代物無法比擬的獨特性質，如與人大隱靜脈相似的順應性、良好的生物相容性、高機械強度等[2-3]。同時，BC還具有形狀可塑性和生物合成的可調控性。因此，很多學者開始探索小口徑BC管的制備方法。Bckdahl 等[4]采用孔徑為3 mm的硅膠管作為載體，發酵培養6 d得到小口徑的BC管。 Hyok 等[5]采用厚度為4 μm的聚乙烯作為載體，培養18 d后，可以得到高產量的小口徑BC管，該管具有較低的孔隙率，彈性模量達到13.6 GPa，是玻璃紙的5倍。還有學者將小口徑BC管植入動物體內探索其作為人造血管的可行性，如Malm等[6]以羊作為研究對象，將長度4 cm、內徑4 mm的BC管植入羊的雙側頸動脈，所植入的BC管上覆蓋匯合的內皮細胞，但是兩個星期內有50%的BC管被堵塞。這表明如將BC作為小口徑血管移植物的潛在材料，需在臨床研究前提高BC管在動物體內的通暢性。BC在動物體內雖然具有很好的生物相容性，但是細胞黏附性較差。基于此，Fink 等[7]對BC進行修飾，采用一種新型的木葡聚糖(xyloglucan,XG)綴合物法將細胞粘合肽RGD(Arg-Gly-Asp)黏附于BC管上，修飾后的BC管可促進人血管內皮細胞的黏附、增殖和代謝。
BC在生物合成過程中具有很強的可塑性，包括形狀、大小和性能等方面，因此通過微生物培養合成各種小口徑BC管是完全可行的，同時一系列動物實驗也表明BC 管是一種非常有潛力的人造血管材料。但是要作為臨床應用材料，BC管的很多性能如堵塞性、孔隙率和力學性能等還需要進一步完善。
2 組織工程支架
已有很多天然生物材料，如多聚糖、膠原、無機及生物衍生材料等用于組織工程支架的研究，這些材料都表現出良好的生物相容性。相比較而言，BC具有很好的力學性能、持水性、生物相容性、廣泛的溫度適應性和pH穩定性，同時具有多孔形態和可降解性[8-9]。目前，已開展BC在骨組織工程支架、人工角膜等方面的研究，如表 1所示。
表1
BC用于組織工程支架
Table1.
BC fused for tissue engineering scaffolds
3 傷口敷料
皮膚創傷是種常見損傷，快速修復創傷皮膚的有效手段是使用創傷敷料治療。基于BC膜的獨特納米結構，與其它傷口敷料相比，BC具有在潮濕的條件下機械強度高，對氣、液和電解質有良好的通透性，皮膚相容性好等特點，這些優良的物理性能有利于皮膚組織的生長和愈合，是一種新型的傷口敷料[16]，如表 2所示。
表2
BC用于傷口敷料
Table2.
BC for wound dressing applications
為了提高BC作為傷口敷料的功能，研究者們探索很多方法改善BC膜的性能。如Yu等[21]在木醋桿菌合成培養基中加入水溶性羧甲基纖維素，制備得到羧甲基BC，該復合物具備更好的保水能力和斷裂應力。Kim等[22]制備復合物BC/殼聚糖、BC/聚乙二醇和BC/明膠，這些復合物的生物相容性優于BC。Maneerung等[23]研究將銀納米粒子吸附在BC膜上，從而制備具有抗菌活性的傷口敷料，該敷料對大腸桿菌和葡萄球菌均有很強的抗菌能力，開創了BC制備新型抗菌活性傷口敷料的領域。
我國的馬霞等[24]探索了BC膜作為創傷性敷料的可行性，洪楓等[25]公開了用于急性創傷的BC基抗菌干膜的制備方法和應用實例，鄭裕東等[26]公開了一種磺胺嘧啶銀/BC復合傷口敷料的制備方法，邱竣等[27]在BC減輕增生性瘢痕方面也有研究。
4 展望
BC在醫用材料方面的研究是當今的熱點，但是大部分的研究還停留在細胞和動物實驗等初級階段，涉及到具體的臨床應用，還有許多問題需要解決。首先是BC產量過低、成本較高的問題。如要加快BC作為醫用材料的產業化進程，既要構建高產BC的菌株，尋找廉價的培養基(如啤酒酒糟等)來替代價格昂貴的培養基，又要改造能進行靜置和深層培養的生物反應器。其次是亟需解決BC作為支架材料在體內應用的一系列動態問題，比如探索BC與宿主細胞長期相處過程中生物相容性問題、體內降解性以及BC機械性能的變化等問題。
