新型医学生物材料——细菌纤维素的制备与表征

摘要

细菌纤维素(Bacterial Cellulose,简称BC)又称为微生物纤维素(MicrobialCellalose),它是一种由细菌产生的生物高聚物。从纤维素的分子组成看,BC和植物纤维素一样都是由β-D-葡萄糖通过β-1,4-糖苷键结合成的直链,又称为β-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,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,是一种新型纳米,土物材料,已应用于食品、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。
　　 血管材料一直是全世界研究的热点,全世界每年要施行的许多血管重建手术。由于自体血管来源有限,而异体血管的排异作用,以及来源少和价格昂贵等原因,常不得不使用人工合成血管作为替代品。寻找新型可代替的血管材料是最近的研究热点,近30年来,人们一直在致力于这方面的研究。
　　 目前国内外利用微生物合成管状细菌纤维素的研究主要都以透氧性的硅胶管为介质采用静态培养的方法发酵制备,但是静念法发酵时制备得到的管状细菌纤维素材料具有一定的局限性,比如:管状材料的厚度较薄、管状材料的长度受限、发酵周期长、静态制备容易出现分层现象等。因此,本课题通过利用细菌纤维素吸附生长,而且是好氧生长的特性,结合动态法和静态法的优点,设计出了一种制备管状细菌纤维素材料的亚静态生物反应器,并对该反应器的一些设计参数以及利用该反应器制备管状细菌纤维素的条件进行了优化,为以后制备管状材料提供理论依据。
　　 本研究以Acetobacter xylinum为生产菌种,研究了动态法发酵制备管状细菌纤维素材料的性能。结果发现动态法下制备合成的细菌纤维素具有明显的结构优势,在静态下制备的管状材料具有明显的分层现象,而动态法制备的管状材料结构均一,在电镜下没有分层现象。通过对材料不同方向的力学测试以及结果分析找出了含水率、培养时间和管状材料强力之间存在一定的函数关系。
　　 本研究对细菌纤维素的溶解性能进行了研究。有关细菌纤维素的溶解,目前报道的主要是LiCl/DMAC体系,但是该体系价格昂贵,仅适合实验室研究。本课题采用绿色溶剂——离子液体作为溶解体系,分别研究了不同形态细菌纤维素在两种离子液体中的溶解差异,研究了不同温度、不同转速对细菌纤维素的溶解影响,考察了溶解后细菌纤维素的析出以及离子液体的回收。结果表明:纤维素均能很好地溶解在离子液体中。随着温度和转速的增加,细菌纤维素在离子液体中的溶解效率变大,[AMIM]Cl离子液体的最大溶解度为3％,[BMIM]Cl的溶解度为1.2%。两种离子液体的回收率分别为96%和94%,本研究是首次报道[AMIM]Cl离子液体对细菌纤维素的可溶性。
　　 本研究又以静态发酵制备纤维素为研究对象,考察了细菌纤维素的改性研究,研究了在发酵培养基中添加琼脂、可溶淀粉、明胶、壳聚糖等高分子物质对合成的细菌纤维素强力的影响。结果发现:琼脂、可溶性淀粉、明胶都在一定程度上提高了合成的细菌细菌纤维素的强力。壳聚糖由于本身具有抑菌作用,抑制了木醋杆菌的生长,所以基本上不能合成纤维素,通过DSC和TGA分析证实改性细菌纤维素材料中高分子添加物的存在。