胡 晨，唐義權(quán)

（江蘇省海安市人民醫(yī)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(fā)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(yīng)用前景。最近十年，由于生物醫(yī)學工程的發(fā)展和醫(yī)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(xiàn)已經(jīng)大范圍應(yīng)用于醫(yī)學科學研究和醫(yī)用材料中。其中天然高分子材料中的纖維素是醫(yī)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(xiàn)在國內(nèi)外新型醫(yī)用材料的關(guān)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(fā)現(xiàn)，他在培養(yǎng)醋酸桿菌的時候，無意間發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)皿上方的表面形成了一次薄薄的白色凝膠膜。之后經(jīng)過成分分析，白色的凝膠膜化學成分是纖維素，人們?yōu)榱伺c已知的植物纖維素區(qū)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(guān)研究人員又做了許多關(guān)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(guān)于細菌纖維素合成過程中的影響因素[2-3]。研究結(jié)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(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。之后的二三十年關(guān)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(guān)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(jīng)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(yī)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(guī)模制備研究發(fā)展到了工業(yè)化流水線的大規(guī)模生產(chǎn)。細菌纖維素發(fā)展到今天，在生物醫(yī)用材料上已經(jīng)有很多的用途，成了人們在醫(yī)療發(fā)展中不可或缺的重要部分。

1 細菌纖維素的基本性質(zhì)

在首次發(fā)現(xiàn)并命名了細菌纖維素之后，經(jīng)過了幾十年的發(fā)展和研究人們發(fā)現(xiàn)；細菌纖維素的化學純度高，可達99%以上，而且它的結(jié)晶度和含水量都較高，綠色無污染，而且在自然環(huán)境中的降解速度快，在腐蝕環(huán)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(yī)用材料中的廣闊應(yīng)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(yǎng)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(zhì)地較軟而且有一定的光澤。細菌纖維素的正反兩面結(jié)構(gòu)有明細的不同，與空氣接觸的一面致密光滑，與培養(yǎng)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(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，它呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(yīng)用在醫(yī)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(guān)研究[4]，發(fā)現(xiàn)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(wěn)，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(fā)現(xiàn)明顯的排異反應(yīng)，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(xiàn)腫脹和莢膜。上面的微觀和宏觀的實驗結(jié)果都說明了細菌纖維素的優(yōu)異的生物相容性。我國的相關(guān)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(fā)現(xiàn)，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(jié)果都表明細菌纖維素在小白鼠體內(nèi)發(fā)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(yī)學領(lǐng)域中 的應(yīng)用

2.1 細菌纖維素在眼科的應(yīng)用

我國的相關(guān)研究人員通過在體外分離人眼角膜基質(zhì)細胞和實驗大耳白兔的角膜基質(zhì)細胞，然后將細菌纖維素種植到兩種角膜基質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(jié)OCT，角膜共聚焦，離體后的角膜組織檢查和排異反應(yīng)篩查。實驗結(jié)果顯示；人和實驗兔的角膜基質(zhì)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(tài)，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(fā)現(xiàn)新生血管。手術(shù)后的基質(zhì)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(xiàn)象的發(fā)生。復合膜發(fā)生了明顯的降解現(xiàn)象，復合膜的邊界變得模糊不清。植入手術(shù)第八周之后的生物檢測結(jié)果顯示，細菌纖維素移植片附近的細胞生長狀態(tài)良好，細胞增生活躍。周圍的角膜內(nèi)皮細胞的生長狀態(tài)和數(shù)量都顯示為正常狀態(tài)。接近正常的角膜組織。以上結(jié)果都表明；細菌纖維素細胞沒有毒性，同時作為角膜基質(zhì)材料具有良好的生物相容性和生物可降解能力，在作為醫(yī)學材料構(gòu)建新型組織工程材料上有很大的應(yīng)用前景。

2.2 細菌纖維素在生物醫(yī)用材料中的應(yīng)用

K-ucharska M和N-iekraszewicz A等[6]通過變化細菌纖維素培養(yǎng)基的化學組分來改善細菌纖維素的性能，其實驗結(jié)果表明，通過改變培養(yǎng)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(yī)學材料的應(yīng)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(xiàn)皮膚表面用藥，可以加速皮膚創(chuàng)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(yōu)異的抗菌性能，所以還可以有效阻止細菌感染皮膚創(chuàng)面。還有相關(guān)的研究結(jié)果表明[7]，細菌纖維素的抗菌性足以在人體內(nèi)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(yōu)點，與傳統(tǒng)的生物醫(yī)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(jīng)被用到了許多生物醫(yī)用材料上，包括治療各種皮膚創(chuàng)傷、燒傷燙傷。還有研究發(fā)現(xiàn)[9]，細菌纖維素已經(jīng)可以具備作為人工皮膚支架的必要條件，利于術(shù)后毛細血管的長入。

國外的科研人員已經(jīng)成功地將細菌纖維素（Bioprocess、X Cell 和 Biofil）進行工業(yè)流水化生產(chǎn)[10]。將其應(yīng)用到皮膚創(chuàng)傷修復，通過對患者的追蹤調(diào)研發(fā)現(xiàn)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(chuàng)面愈合速度，減小創(chuàng)口的細菌感染風險，治療效果明顯好于傳統(tǒng)的醫(yī)用紗布。在關(guān)于皮膚燒傷的治療上細菌纖維素也是表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)醫(yī)用敷料，經(jīng)常在二度燒傷和三度燒傷治療中應(yīng)用[11]。細菌纖維素表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)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(yōu)異，還可以防止細菌感染，維持皮膚創(chuàng)面的濕潤。在通過觀察創(chuàng)面和創(chuàng)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(yōu)于傳統(tǒng)醫(yī)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(yīng)用

當人體內(nèi)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(shù)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(shù)之后的排異反應(yīng)。術(shù)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(yī)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(gòu)建人工血管。細菌纖維素在人工血管中的應(yīng)用最早出現(xiàn)在20世紀90年代。經(jīng)過幾年的發(fā)展，Schumann D等[12]將細菌纖維素為原材料制備的人工血管應(yīng)用于顯微外科中的血管吻合治療。并發(fā)現(xiàn)細菌纖維素在人工血管的應(yīng)用上具有極大的臨床應(yīng)用價值。后來Baeckdahl H等[13]又將細菌纖維素制備的人工血管應(yīng)用到組織工程血管支架中，并研究了其機械性能。實驗結(jié)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(yīng)用前景。

2.4 細菌纖維素在骨組織工程支架的應(yīng)用

近年來，細菌纖維素因為在生物醫(yī)學材料中優(yōu)異的表現(xiàn)，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(tài)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(yōu)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(yīng)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(jié)構(gòu)[13]，可以作為促進骨組織修復和骨細胞生長的生物醫(yī)用材料使用。這為細菌纖維素在骨組織工程支架的應(yīng)用提供了新的線索。

3 展望

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，歐美、日韓等發(fā)達國家的細菌纖維素產(chǎn)業(yè)已經(jīng)十分發(fā)達，已經(jīng)在生物醫(yī)學材料中有很多的應(yīng)用，目前我國的細菌纖維素產(chǎn)量還與國際領(lǐng)先水平有一定的差距，還需要我國的相關(guān)工作人員繼續(xù)努力。同時細菌纖維素具有很大的應(yīng)用潛能，在眼科領(lǐng)域、構(gòu)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(yīng)用前景，但是細菌纖維素與人體細胞的反應(yīng)機制十分復雜，還需要進一步探究其反應(yīng)機理。