细菌纤维素生物医学材料的现状及展望(可编辑)

细菌纤维素生物医学材料的现状及展望(可编辑) 细菌纤维素生物医学材料的现状及展望 . 第 卷第 期 应 用 化 工 . 年 月 细菌纤维素生物医学材料的现状及展望 杨丰科,王尧 青岛科技大学化学化工学院,山东青岛 摘 要:细菌纤维素是由细菌合成的纯净纳米纤维素构成的网状纤维,具有优良的形态学、生物学、物理学性能以 及合成可控性,因此在生物医学材料领域被广泛应用。介绍了近年来细菌纤维素应用于敷料、人造皮肤、组织修复 材料和膳食纤维等方面的研究进展,并对其生物降解能力、生物相容性和纤维定向等性能的提高作出了展望。 关键词:细菌纤维素;生物医学;功能性材料;应用前景 中图分类号: . ;. ; 文献标识码: 文章编号:? ?? , ,, , :. ? , , . ,,. , , ? . : ; ; ; 近年来,天然聚合物以其独特的优势在生物医 纤维素还具有类似于柔软组织的物理和机械性质, 疗材料领域引起了广泛关注。纤维素在从浮游生物 可以引导细胞在纳米纤维上生长,作为人造皮肤和 到红杉等自然生物体中的普遍存在证明了它的生物 组织工程中的移植和支架等材料的应用也非常具有 实用性和在生物医学和组织工程中的适用性。 吸引力。通过采用不同培养方法、调节培养条件或 从止血的伤口包扎用品到缝合使用的肾透析 运用不同模型,能够得到不同结构、化学性质和形状 膜】 ,长期以来植物纤维素在各种医疗应用中运用 的细菌纤维素功能材料,因此其在生物医学材料领 广泛。但植物纤维素纯度不够高,其中所含木质素、 域必将还有更加广阔的前景。 半纤维素和其他分子需要经过高度集中处理后才能 临床应用 用作医疗材料。而细菌纤维素虽然在化学结构上与 细菌纤维素在生物医学领域的实际应用方面已 植物纤维素相同,但不含杂质分子,具有超高纯度。 经有了许多令人振奋的发展,它不止作为严重创伤 很多细菌都能生产细菌纤维素,比如醋杆菌属 又 的敷料被广泛认可,作为人造皮肤、神经手术敷料、 名葡糖醋杆菌属 、棘阿米巴、无色杆菌属、动胶菌 硬脑膜修补物质、动脉内植人覆盖层支架材料也是 属等等。其中被研究最多的是醋杆菌属,尤其是木 当下热门的话题 。之前的许多研究已经探讨了 醋酸菌 。 细菌纤维素的一系列应用情况,我们将重返这些论 细菌纤维素在形态学上独特的纳米纤维网状结 题并讨论最近更新的进展。 构,优良的弹性模量参数、结晶度、纯度、聚合度、持 水能力、生物相容性、生物适应性、可降解性,以及合 . 细菌纤维素敷料 成时的可调控性,使之极有利用价值和前途。细菌,和都是已经投诸实际 收稿日期: . 修改稿日期: ?基金项目:山东省自然科学基金资助项目 作者简介:杨丰科 一 ,男,山西运城人,青岛科技大学教授,硕士生导师,主要从事有机合成的研究。电话: , ?: .通讯联系人:王尧一 ,女,硕士生,从事有机合成的研究。电话: , ? : . 第 期 杨丰科等:细菌纤维素生物医学材料的现状及展望 生产的用于治疗创伤的商业产品 。研究显示,细 原质构成的模型,是具有硬度和强度的合成物质。 菌纤维素作为传统敷料具有强大持水性和保湿能 而细菌纤维素,作为胶原质的类似物质,在理论上也 就可以作为胶原质的替代物模仿骨质结构。磷酸钙 力,在减少伤口疼痛、加快上皮组织愈合、减少伤口 感染几率、减少伤口视察 因为它的半透明状态 以 盐如羟基磷灰石 是已知的能加强成骨祖细胞分 及减少伤痕方面具有优良的性质 』。由于它能根 化,增加细胞碱性磷酸酶活性,和普遍提升骨骼组织 形成的物质? 。因此,为了制造细菌纤维素仿生骨 据创伤的状态吸收或者释放液体,从而保持合适的 支架,细菌纤维素需要先被羟基磷灰石矿物化处理。 水分平衡,并且几乎能贴附各种轮廓的创伤使之湿 许多其他的因素,比如支架孔隙尺寸? 挖 、纳米尺 润,因此能起到很好的舒缓作用。 寸 和羟基磷灰石颗粒尺寸? ,都能影响成骨祖 . 细菌纤维素人造皮肤 细胞的黏着性、分化和增殖情况? ,因此理想的细 得益于它独特的网状结构、高含水量和机械强 菌纤维素骨支架需要具备所有这些性质的优良参 度性质,细菌纤维素不止在伤口愈合治疗方面十分 具有前景,也是上皮细胞生长的理想支架。即使对 数。最初将经羟基磷灰石化学改造后的细菌纤维素 于严重的上皮细胞损伤,细菌纤维素作为暂时的人 作为人类骨髓干细胞生长支架的实验展示出了非常 工皮肤移植,也可以有效的引导上皮细胞的恢复。 有前景的结果,和未改造的细菌纤维素相比,它能够 本体移植虽然可以用于处理大面积的皮肤损伤,但 引导其上生长的细胞更好地转录 复制、增殖和分 当本体移植不能满足时,从尸体上获得的皮肤或其 化 。 他代替物也可能被使用。可见,细胞纤维素可以作 控制细菌纤维素的孔隙度、纳米级别的拓扑结 为植皮替代品被大力开发,运用于严重皮肤损伤的 构,和羟基磷灰石晶体尺寸的研究工作正在进行,这 病人。 些工作对于得到理想的功能性可植入细菌纤维素骨 . 细菌纤维素管 支架很有帮助。 细菌纤维素管用作神经外科手术血管还未进行 . 细菌纤维素心脏瓣膜 人体临床试验,但其动物实验的研究结果已显示十 细菌纤维素可以用作人工心脏瓣膜。 和 】 在关于细菌纤维素复合材料的研究中发 分具有希望。最近在 只老鼠 颈动脉 和 只猪 颈动脉身上进行的关于 小口径血管置换 现,一种具有生物相容性的聚乙烯醇细菌纤维素化 的实验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明, 年后所有的老鼠体内修补物呈 合物拥有与天然心脏瓣膜叶相同的机械张力性质, 现畅通状态, 后 只猪中 只的置换假体显示 且在较低的余压下能够更快进行缓和松弛。最近标 无粘着。经组织学观察,假体的内部衬里上皮形成 准的瓣膜置换大多是用猪的脏瓣膜,但是由于其 的 个不同结构层,就像天然动脉的正常三层结构 使用时间有限,也可能采用人工机械的心脏瓣膜。 一 样工作良好。其他细菌纤维素管作为老鼠血 人工机械心脏瓣膜能够长期使用,但是病人需要进 管 颈动脉和静脉 的研究显示,所有移植假体在老 行终身抗凝药物处理,并且可能由于其增加了扭断 鼠体内呈现顺畅不闭合状态 。 血红细胞的压力,致使细胞破裂引起贫血。由此可 此外,大概是由于能够减少结缔组织的入 见,细菌纤维素复合材料会是人工心脏瓣膜非常值 侵 ,在缝合的时候,细菌纤维素管还能起到改善 得期待的未来选择。 神经手术的效果。在细菌纤维素管上培养人体细 . 细菌纤维素组织修复材料 胞,使之生长成尿路上皮,再用作尿导管的应用也已 巴西的研究者试验了用菌胶团产生的细菌纤维 经有了进展,这些细菌纤维素尿道导管在移植两个 素对鼠腹腔内壁进行缺陷修复。尽管得到了一些很 星期后依然显示工作状态良好 。 有希望的结果,但天然细菌纤维素的纳米级孔隙尺 . 细菌纤维素膜 寸不能与周围组织良好的结合,这是所要面临的初 细菌纤维素还显示出了引导骨组织再生的能 步挑战。也许改善细菌纤维素孑隙尺寸能帮助解决 , 力。比如在神经外科手术中,移植的细菌纤维素膜 这个问题。 能够阻挡纤维细胞,防止伤疤在愈合部位先形成,从 . 细菌纤维素软骨 而允许稍慢的骨生成过程发生。细胞纤维素膜在这 通过对软骨和细菌纤维素的比较,引发了将细 方面的应用已经非常成功。 菌纤维素用作软骨替换物质的研究投入。最近关于 . 细菌纤维素支架 细菌纤维素复合材料的研究中,将一种以细菌纤维 近来,细菌纤维素已经被作为有潜力的骨组织 素和聚二甲基丙烯酸为主要原料复合而成的双层网 支架材料研究。骨是由大量被羟基磷灰石矿化的胶 状凝胶体用作软骨替代 物,实验结果显示出其优良应用化工 第 卷 的潜力?引。另一个研究显示,细菌纤维素作为软骨 泛的应用。通过共价键 联接具有生物活性的分子到 细菌纤维素分子骨架上,能加强或者改变细菌纤维 支架也非常有利用优势,相比海藻酸钠和塑料具有 更强支持软骨细胞迁移和增殖的能力。 等? 素在制药、抗凝血、流动可凝 结性和生长等方面的特 殊属性,例如使小口径细菌纤维素血管在正常血管 发现未改造的细菌纤维素在压强 杨氏模量 内皮上长期通畅不闭合状态。细菌纤维素作为软骨 下,性能优于同时测试的胶原基材料,更加类似于猪 组织支架、皮肤上皮细胞和各种内皮的化学改造运 的膝盖半月板。虽然天然半月板在抗压性上强于细 用也正在大步前进。化学改造对生物相容性领域的 菌纤维素,但细菌纤维素可以通过引导纤维生长方 研究帮助是很有前景的,细菌纤维素与细胞之间的 向,或在细菌纤维素中注入蛋白多糖模拟正常半月 卡 互复杂影响也有待在体外和有机活体内进行进一 板的组成,并且能够减少干燥,或者通过在培养过程 步研究。 中在细菌纤维素中加人人体成骨细胞等方式,实现 . 控制纤维定向 具备天然半月板的特征。 生产不同形状和型号而不只是一张薄膜或管的 . 其他 细菌纤维素的技术也需要更宽广的发展。提高控制 美国专利报道了细菌纤维素接触透镜 。 和生 细菌纤维素不同形状及其孔隙尺寸的能力,对于细 产细菌纤维素的细菌作为膳食补充剂治疗糖尿 菌纤维素用作组织支架和细胞生长载体很有帮助。 病 。在后一种情况下,产生细菌纤维素的乳酸杆 控制纤维定向将会加强细菌纤维素机械性能,对于 菌和木醋杆菌被描述为有潜力的膳食补充物质,在 进一步通过宏观和微观控制细菌纤维素和细胞之间 其中人工填充肠道细菌,可以吸收简单的糖,把它们 的相互影响,具有至高的重要性。 转换成不易消化,并且渗透性相对惰性的纤维素 . 其他 膳食纤维 。 , 大众缺少对细菌纤维素作为生物医药材料可行 展望 性的普遍常识,也是它得以被广泛运用和开发的障 近年来,细菌纤维素的研究已经有了重大的进 碍。还有一部分问题在于,大规模生物制造细菌纤 展,但根据未来的发展趋势,依然有许多需要迎接的 维素产品的科技还具有可疑性。因此开发可靠的可 挑战。 调控可复制产品技术,对于细菌纤维素得到最后的 . 改善生物降解能力新应用批准,以及作为商业可用生物医学材料 人体内的细菌纤维素最好能够缓慢进行生物降 被更加广泛的接受,是至关重要的铺路石。 解。虽然在某些特定的情况下,比如作为心脏瓣膜 参考文献: 或半月板,纤维素最好能赋予假体支架永不降解的 活力。但在其他方面,能随着时间被天然组织取代 . : ,? 的可消溶的模型是最好的。众所周知,被氧化的细 ,., , : . . 菌纤维素更易水解,也更利于在人体内降解。,,,. ? 等 研究发现,在体外模仿人体体液的磷酸缓冲 溶液 通过氧化反应,可提高细菌纤维素降解能力。 ., , :. 此外,据美国专利报道氧化细菌纤维素,可制造, ,,. ? 生物降解性细菌纤维素物质 。 。公司最近 上市了可消溶的氧化细菌纤维素产品。但是,还没. , , : . 有通过氧化处理加强细菌纤维素生物降解活性的研 , , , .? 究论文发表,加强和控制细菌纤维素生物降解性的 ?? .? 改造值得进一步深层次的研究。 , , : ? . . 化学改造生物相容性,,,.生物相容性方面的研究也有待发展。尽管最初 . 的结果已经很有前景,关于在细菌纤维素中添加活, , :. 性补充物和改变其可凝结性的措施还有待进一步开, , , . ? 发。: 化学改造细菌纤维素与人体的相互影响会是一 ., ,:?. 个极有前景的领域,可以为其作为医疗材料打开广