淺談細菌纖維素基人工皮膚應用進展

摘要：細菌纖維素作為一種新型納米纖維材料，以其獨特的超細纖維網狀結構、卓越的機械性能、良好的生物相容性和生物可降解性在生物醫用領域引起了人們的廣泛關注。概括細菌纖維素的特性以及生物醫學現狀，重點闡述細菌纖維素在人工皮膚方面的應用進展，以研究開發價廉、安全、高效的細菌纖維素基人工皮膚。

關鍵詞：細菌纖維素；人工皮膚；濕性敷料

中圖分類號：R322.99 文獻標識碼：C 文章編號：1005-0515（2013）8-021-02

細菌纖維素（Bacterial cellulose， BC）是指在不同條件下，由醋酸菌屬（Acetobacter）、土壤桿菌屬（Agrobacterium）、根瘤菌屬（Rhizobium）和八疊球菌屬（Sarcina）等中的某種微生物合成的纖維素的統稱，醋酸菌屬中的木醋桿菌 Acetobacter xylinum（現已更名為：葡糖醋桿菌 Glucoacetobacter xylinum）因為纖維素產率最高而被廣泛用于細菌纖維素基礎研究以及應用研究的模板微生物。作為一種新型納米纖維材料，其以細菌細胞內部作為生物合成反應器，將葡萄糖小分子在酶催化作用下經過一系列復雜的變構過程最終通過β-1，4-糖苷鍵結合形成β-1，4-葡萄糖鏈由細菌系細胞側面的催化位點擠出。β-1，4-葡萄糖鏈彼此之間通過分子內與分子間氫鍵作用，逐步、分層地形成脂多糖層、類晶團聚體、纖維素微纖并最終形成纖維素。這種材料除了與植物或海藻纖維素具有相似的化學組成外，還具有獨特的物理、化學和機械性質。本文就細菌纖維素的特性及生物醫學現狀進行概括，重點闡述細菌纖維素在人工皮膚方面的應用進展。

1、細菌纖維素的特性

由Acetobacter、Agrobacterium、Pseudomonas、Rhizobium和Sarcina等微生物生化合成的生物纖維素——細菌纖維素（Bacterial cellulose， BC），這種材料除了與植物或海藻纖維素具有相似的化學組成外，還具有獨特的物理、化學和機械性質：（1）超細網狀結構。細菌纖維素是由直徑3～4納米的微纖組合成40～60納米粗的纖維束，并相互交織形成發達的超精細網絡結構。（2）細菌纖維素與植物纖維素相比無木質素、果膠和半纖維素等伴生產物，具有高結晶度（可達95%，植物纖維素的為65%）和高的聚合度（DP值2 000～8 000），賦予材料出色地力學強度以及力學韌性。（3）細菌纖維素的彈性模量為一般植物纖維的數倍至十倍以上，并且抗張強度高。（4）細菌纖維素有很強的持水能力 （water retention values， WRV）。未經干燥的細菌纖維素的WRV值高達1000% 以上，冷凍干燥后的持水能力仍超過600%。經100℃干燥后的細菌纖維素在水中的再溶脹能力與棉短絨相當；并有非凡的持水性和高濕強度。（5）細菌纖維素有較高的生物相容性、適應性和良好的生物可降解性。（6）細菌纖維素生物合成時的可調控性。其作為一種新型的天然納米生物材料，已廣泛的應用于食品、醫學材料、造紙、聲音振動膜等領域，細菌纖維素出色的理化特性以及良好的生物相容性使其在生物醫用領域有著非常廣泛的應用。

2、細菌纖維素的生物醫學現狀

纖維素是豐富的天然聚合物， 主要分布于植物以及真菌、藻類中。 其中，細菌纖維素（Bacterial cellulose， BC）以其獨特的超細纖維網絡結構、卓越的機械性能、良好的生物相容性和生物可降解性在生物醫用領域引起了人們的廣泛關注。自 1987 年以來，關于用細菌纖維素膜治療燒傷、燙傷、褥瘡、皮膚移植、創傷和慢性皮膚潰瘍等成功病例已屢見不鮮，并且已經有用于人工皮膚、紗布、繃帶等的敷料產品[1]，如由Fontana 等[2]研發的細菌纖維素產品 Biofill?，已經被證明在二級和三級燒傷、燙傷、皮膚移植、慢性皮膚潰瘍等皮膚損傷方面有非常顯著的療效。另外，Xylos 公司推出的由 Alvarez 等[3]研制的XCells?纖維素創傷敷料和 XCellsR抗菌創傷敷料也已在臨床上得到了廣泛的應用。 同時，細菌纖維素材料已經被證明可以應用在人工血管、藥物載體以及引導組織再生等方面[4-6]。

隨著醫學的發展，人們對細菌纖維素作為一種優秀的生物材料在組織工程方面的應用進行了大量研究。其中主要包括軟骨組織、血管組織、骨組織等體內組織工程以及創傷、燒傷敷料、人造皮膚修復材料等體外組織工程這兩個方面。[7-11]

但是目前在國內，細菌纖維素主要作為食品添加劑、膳食纖維保健食品等低附加值產品出現在市場上。基于細菌纖維素的組織工程生物醫用材料的研究與開發仍然處于起步階段。自主研發的細菌纖維素生物醫用產品幾乎沒有，質量也參差不齊。因此在國內市場，細菌纖維素作為諸如敷料、人造皮膚等高附加值產品存在著巨大的臨床需求以及潛在市場價值。

3、細菌纖維素在人工皮膚方面的應用進展

人體皮膚是人體最大的器官，是人體的天然屏障，對維持體內環境的穩定和阻止微生物入侵起重要作用。由于意外傷害、疾病等原因引起的皮膚缺損、潰瘍、創傷等始終是人類面臨不可避免的問題，因此人工皮膚歷來受到關注。

隨著科技的發展，生活水平的提高，人們對傷口復愈原理和傷口護理過程有了更深的理解，同時也對人工皮膚提出了更高的要求，許多新型的材料已經大規模地被應用在醫用敷料及人工皮膚的生產中。

目前人工皮膚的研發主要采用生物相容性較好，有一定保濕性能的生物材料，以代替傳統的醫用敷料。如：纖維素類，甲殼素及甲殼胺類，海藻酸類等。20世紀80年代初，Courtaulds公司把海藻酸纖維引入作為醫用紗布，此后英國的Advanced Medical Solutions公司在海藻酸中混入了羧甲基纖維素鈉、維生素、蘆薈等許多對傷口愈合有益的材料，希望進一步改善產品的性能。這類材料的主要特點是具有高吸濕性、成膠和止血性能，對流血、流膿較多的慢性傷口比較合適，已廣泛地用于植皮、壓瘡和腿部潰瘍等傷口。這類生物材料用作敷料吸收滲出液時有兩種基本的吸收機理，海藻酸是將滲出液吸入纖維之中，而甲殼胺則將其吸收在纖維之間，在一定程度上阻止液體的擴散，不利于空氣的進一步流通。

然而大量研究表明細菌纖維素具有良好的體內、體外生物相容性和良好的生物可降解性。極好的形狀維持性能和形狀可調控性。采用細菌纖維素制成的敷料可以為傷口提供促進愈合的，良好的潮濕的環境；并且敷料可以任意裁剪，與皮膚有極好的伏貼性，具有一定的鎮痛效果；其超細網狀結構、優異的機械性能和抗張強度使得輔料有一定的可縫性，便于固定。因此采用細菌纖維素作為抗菌材料的基材具有以往其它生物材料、織物等無可比擬的優點，有望成為一種較理想的醫用敷料。

研究中發現1、細菌纖維素具有與皮膚良好的帖附性能，其納米效應能夠根據不同創口環境“智能”調節，完全粘附在創口表面，防止感染。2、同時細菌纖維素具有吸收、釋放水分的雙重功能，通過簡單的物理化學改性，能夠進一步調控，使細菌纖維素薄膜“智能化”，根據外界環境、傷口環境的變化自動調控釋放水分或吸收水分。當傷口滲出液過多時，細菌纖維素基人工皮膚可以吸收水分，達到清創的目的；當傷口為干性傷口時，細菌纖維素基人工皮膚可以釋放水分，達到傷口保濕的效果，促進傷口愈合。3、根據不同的傷口特性，細菌纖維素的納米網絡結構可以負載所需的藥物，并通過吸收/釋放雙重功效完成緩釋均勻給藥，實現“智能”治療。4、細菌纖維素自身具有良好的生物相容性，納米網絡纖維既可以模擬細胞外基質，提高細胞粘附、促進細胞增殖、加快傷口愈合，又可進行生物活化，制備仿真皮膚。

4、展望

以醫用細菌纖維素纖維基人工皮膚的制備工程化為目標，制備具有良好生物相容性、動態保濕、緩釋給藥、阻菌抗菌的細菌纖維素基系列“智能”人工皮膚，滿足不同皮膚創傷臨床治療需要。開發價廉、安全、高效的細菌纖維素基人工皮膚，為細菌纖維素在醫用領域進一步應用創造條件。

參考文獻：

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