細菌纖維素在眼科等醫學領域的研究與展望

胡 晨，唐義權

（江蘇省海安市人民醫院，江蘇東臺 224200）

近幾十年來，由于材料科學與工程和高分子材料的快速發展，無論是人工合成高分子材料還是天然高分子材料都有了更廣闊的應用前景。最近十年，由于生物醫學工程的發展和醫用材料的要求不斷提高，高分子材料逐漸走進人們的視野中。天然的高分子材料現已經大范圍應用于醫學科學研究和醫用材料中。其中天然高分子材料中的纖維素是醫用高分子材料的一個主要組成部分。在纖維素中細菌纖維素又是現在國內外新型醫用材料的關注熱點。細菌纖維素（Bacterial cellulose, BC）最初是在1866年由英國生物學家布朗首先發現，他在培養醋酸桿菌的時候，無意間發現培養皿上方的表面形成了一次薄薄的白色凝膠膜。之后經過成分分析，白色的凝膠膜化學成分是纖維素，人們為了與已知的植物纖維素區分開，將這種纖維素重新命名為細菌纖維素。在弄清細菌纖維素的化學成分之后，科學家們又將目光集中到了細菌纖維素的形成機制上, 1947年人們首次詳細解釋了A xylinum纖維素合成的機制[1]。到了1950年后，相關研究人員又做了許多關于細菌纖維素的研究。Schramm等在19世紀50年代率先研究并提出了關于細菌纖維素合成過程中的影響因素[2-3]。研究結果闡述了細菌纖維素及BC合成抑制劑對細菌纖維素合成的影響。并在之后的研究中成功制備了細菌纖維素合成酶，對后面細菌纖維素的發展奠定了理論基礎。之后的二三十年關于細菌纖維素的研究大都集中在A xylinum纖維素合成的機理和模型上，關于合成細菌纖維素的原材料研究很少。直到1977年Colvin等才開始研究使用單糖合成細菌纖維素。到了1980年之后，經過了一百多年的研究和探索，科學家們才逐漸意識到細菌纖維素在生物醫用材料上的潛力。從這時開始，人們對細菌纖維素的研究從實驗室的小規模制備研究發展到了工業化流水線的大規模生產。細菌纖維素發展到今天，在生物醫用材料上已經有很多的用途，成了人們在醫療發展中不可或缺的重要部分。

1 細菌纖維素的基本性質

在首次發現并命名了細菌纖維素之后，經過了幾十年的發展和研究人們發現；細菌纖維素的化學純度高，可達99%以上，而且它的結晶度和含水量都較高，綠色無污染，而且在自然環境中的降解速度快，在腐蝕環境中有較高的抗菌性和耐蝕性。細菌纖維素以上提到的這些特性都決定了它在生物醫用材料中的廣闊應用前景。

為了觀測和分析細菌纖維素的宏觀形貌和微觀形貌，科學家們在培養皿中制備出細菌纖維素后首先將其冷凍，然后進行干燥處理。得到的細菌纖維素標本宏觀上形貌為白色泡沫狀，質地較軟而且有一定的光澤。細菌纖維素的正反兩面結構有明細的不同，與空氣接觸的一面致密光滑，與培養皿接觸的表面疏松多孔，且比較粗糙。通過顯微鏡觀察細菌纖維素的微觀結構可以發現，它呈三維網狀結構，網狀結構的直徑孔徑在2μm左右。細菌纖維素后表面膜的孔隙率在70%左右，而凍干后的細菌纖維素表面膜孔隙率在90%左右。通過透射電子顯微鏡可以觀察到細菌纖維素的帶寬在60～70 nm左右。

要想細菌纖維素更好地應用在醫用材料之中，首先要考慮的是它的生物相容性和生物降解能力。國外科學家通過小白鼠對細菌纖維素的生物相容性做了相關研究[4]，發現在小白鼠的皮膚中植入細菌纖維素12周之后，小白鼠生命體征平穩，通過免疫組織篩查和顯微鏡觀察細菌纖維素植入小白鼠皮膚后，未發現明顯的排異反應，而在16周之后通過宏觀觀測，小白鼠植入細菌纖維素的皮膚部分沒有出現腫脹和莢膜。上面的微觀和宏觀的實驗結果都說明了細菌纖維素的優異的生物相容性。我國的相關研究人員對細菌纖維素的生物降解能力也做了大量的實驗，選取成熟的小白鼠，在小白鼠的皮膚上植入細菌纖維素。7周之后取出植入細菌纖維素部分制作成標本，在透射電鏡下觀察植入細菌纖維素之后的皮膚組織。發現，隨著時間的延長，細菌纖維素中的碳氧雙鍵斷裂，分子間的范德華力降低，這些結果都表明細菌纖維素在小白鼠體內發生了降解，證明細菌纖維素具有一定的生物降解能力。

2 細菌纖維素在眼科及其他醫學領域中 的應用

2.1 細菌纖維素在眼科的應用

我國的相關研究人員通過在體外分離人眼角膜基質細胞和實驗大耳白兔的角膜基質細胞，然后將細菌纖維素種植到兩種角膜基質細胞中[5]。在完成種植之后在一定時間后對實驗大耳白兔和人的角膜基質細胞進行生物檢測。并將完成種植的實驗大耳白兔角膜基質細胞-細菌纖維素復合物進行移植，移植到同種實驗大耳白兔角膜上。完成移植后的實驗大耳白兔分別在第一、第四和第八周進行前節OCT，角膜共聚焦，離體后的角膜組織檢查和排異反應篩查。實驗結果顯示；人和實驗兔的角膜基質細胞和細菌纖維素復合良好，復合后的細胞有良好的生長狀態，第一周的生物檢測顯示實驗大耳白兔的眼角膜沒有明顯炎癥，但也沒有發現新生血管。手術后的基質細胞-細菌纖維素復合物逐漸降解。第四周的生物檢測顯示植入組織的周圍有新生血管的形成，角膜表面沒有潰瘍和炎癥，也無水腫現象的發生。復合膜發生了明顯的降解現象，復合膜的邊界變得模糊不清。植入手術第八周之后的生物檢測結果顯示，細菌纖維素移植片附近的細胞生長狀態良好，細胞增生活躍。周圍的角膜內皮細胞的生長狀態和數量都顯示為正常狀態。接近正常的角膜組織。以上結果都表明；細菌纖維素細胞沒有毒性，同時作為角膜基質材料具有良好的生物相容性和生物可降解能力，在作為醫學材料構建新型組織工程材料上有很大的應用前景。

2.2 細菌纖維素在生物醫用材料中的應用

K-ucharska M和N-iekraszewicz A等[6]通過變化細菌纖維素培養基的化學組分來改善細菌纖維素的性能，其實驗結果表明，通過改變培養基的成分可以改變細菌纖維素的性能，使得其生物相容性和生物可降解能力進一步提升，同時具備了原來不具備的良好的韌性，使得細菌纖維素在生物醫學材料的應用前景更廣闊。由于具有良好的生物相容性，所以人工制備的細菌纖維素膜可以作為緩釋藥物的載體。用細菌纖維素作為緩釋藥物的載體可以實現皮膚表面用藥，可以加速皮膚創面的恢復，同時可以有效減輕疼痛感。同時因為細菌纖維素還有優異的抗菌性能，所以還可以有效阻止細菌感染皮膚創面。還有相關的研究結果表明[7]，細菌纖維素的抗菌性足以在人體內有效阻止大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的感染。除了以上的優點，與傳統的生物醫用材料相比，細菌纖維素的造價成本更低，生效更迅速[8]。截止到目前為止，細菌纖維素已經被用到了許多生物醫用材料上，包括治療各種皮膚創傷、燒傷燙傷。還有研究發現[9]，細菌纖維素已經可以具備作為人工皮膚支架的必要條件，利于術后毛細血管的長入。

國外的科研人員已經成功地將細菌纖維素（Bioprocess、X Cell 和 Biofil）進行工業流水化生產[10]。將其應用到皮膚創傷修復，通過對患者的追蹤調研發現細菌纖維素能夠明顯減輕患者疼痛感覺，并能夠有效促進創面愈合速度，減小創口的細菌感染風險，治療效果明顯好于傳統的醫用紗布。在關于皮膚燒傷的治療上細菌纖維素也是表現優于傳統醫用敷料，經常在二度燒傷和三度燒傷治療中應用[11]。細菌纖維素表現優于傳統敷料的原因是其具有良好的機械韌性，可以更好地保護傷口，而且因為其抗菌性優異，還可以防止細菌感染，維持皮膚創面的濕潤。在通過觀察創面和創面周圍皮膚的變化情況還有生物檢測傷口細菌含量，都表明了細菌纖維素是一種優于傳統醫用敷料并能促進傷口愈合的新型組織工程材料。

2.3 細菌纖維素在人工血管中的應用

當人體內的血管因為某些原因不能正常工作的時候，就需要重新手術移植血管。但是如果要移植人的血管，那么將變得十分困難，因為人的血管源十分稀缺，而且造價十分高昂，還要面臨手術之后的排異反應。術后的治療價格也讓患者很難承受。因此如果能找到合適的生物醫學材料制造人工血管，那么這個問題就會迎刃而解。這時，因為細菌纖維素的特性，人們就開始研究利用細菌纖維素構建人工血管。細菌纖維素在人工血管中的應用最早出現在20世紀90年代。經過幾年的發展，Schumann D等[12]將細菌纖維素為原材料制備的人工血管應用于顯微外科中的血管吻合治療。并發現細菌纖維素在人工血管的應用上具有極大的臨床應用價值。后來Baeckdahl H等[13]又將細菌纖維素制備的人工血管應用到組織工程血管支架中，并研究了其機械性能。實驗結果表明細菌纖維素人工血管的效果和人體本身動脈血管相似。所以細菌纖維素在人工血管上具有很大的應用前景。

2.4 細菌纖維素在骨組織工程支架的應用

近年來，細菌纖維素因為在生物醫學材料中優異的表現，也被用來做骨組織工程支架。人體骨組織的有機物主要成分是纖維性膠原蛋白，無機物的組成成分主要是Ca和P。Ca和P的組合讓人體的骨組織有了一定的硬度以支撐人體的運動。細菌纖維素的微觀形態與骨纖維膠原蛋白類似，并且以前的文獻也提到了細菌纖維素的優異的力學性能，這使得細菌纖維素在骨組織工程支架中有了應用的潛力。通過將Ca10(PO4)6(OH)2和細菌纖維素混合，在細菌纖維素的表面形成了與人體骨組織中Ca10(PO4)6(OH)2相似的晶體結構[13]，可以作為促進骨組織修復和骨細胞生長的生物醫用材料使用。這為細菌纖維素在骨組織工程支架的應用提供了新的線索。

3 展望

經過幾十年的發展，歐美、日韓等發達國家的細菌纖維素產業已經十分發達，已經在生物醫學材料中有很多的應用，目前我國的細菌纖維素產量還與國際領先水平有一定的差距，還需要我國的相關工作人員繼續努力。同時細菌纖維素具有很大的應用潛能，在眼科領域、構建人工皮膚、骨組織工程支架、人工血管、心臟瓣膜都有很大的應用前景，但是細菌纖維素與人體細胞的反應機制十分復雜，還需要進一步探究其反應機理。