论文总字数：14742字

摘 要

细菌纤维素BC是几种细菌经新陈代谢的胞外产物，BC的特性优异，例如其机械性能、吸水性能、生物相容性、高纯度和高结晶，也因此BC被应用于食品工业中以及先进的高科技应用组织工程等多数领域中。近些年来，BC因其优越的生物相容性，被应用于创口敷料、人造血管等，但BC本身并不具备抗菌性能，需要用各种改性方法使其获得抗菌性能。本论文通过总结近年在改方向的研究成果，总结BC作为创口敷料的优缺点及其在抗菌改性方面的研究进展，如通过载聚合物、阳离子或者抗菌肽等达到灭菌的方法，并提出最新抗菌技术在改性制备细菌纤维素敷料方面的可能。

关键词：细菌纤维素；性质；敷料；抗菌剂；

Abstract

Bacterial cellulose BC is an extracellular product of several bacteria that has been metabolized. BC has excellent characteristics, such as its mechanical properties, water absorption properties, biocompatibility, high purity and high crystallinity. Therefore, BC has been used in the traditional food industry Desserts, gelling agents, stabilizers and thickeners, as well as advanced high-tech application tissue engineering in many fields. In recent years, BC has been used in wound dressings, artificial blood vessels, etc. due to its superior biocompatibility. However, BC itself does not have antibacterial properties. This year, it has obtained antibacterial and other functions through various modification methods.

This paper summarizes the research achievements in the direction change in recent years, summarizes the advantages and disadvantages of BC as a wound dressing and its research progress in antibacterial modification, and proposes the possibility of the latest antibacterial technology in the preparation of modified bacterial cellulose dressing.

Key Words: Bacterial cellulose; Properties; Dressing; Antibacterial age

目 录

第1章 绪论 1

第2章 敷料 3

2 .1 敷料的历史发展 3

2 .2 纯BC敷料的性能 4

第3章 细菌纤维素抗菌敷料 5

3.1 聚合物/细菌纤维素抗菌敷料 6

3.2 抗菌肽/细菌纤维素抗菌敷料 6

3.3 阳离子/细菌纤维素抗菌敷料 7

3.4 抗生素/细菌纤维素抗菌敷料 8

3.5 无机物/细菌纤维素抗菌敷料 8

第4章 总结与展望 10

参考文献 11

致 谢 13

第1章 绪论

一个世纪前，细菌纤维素（Bacterial cellulose，BC）就已经引起人们的热切关注，A.J.Brown在富含碳水化合物的培养基中培养一种特殊的细菌时，意外的在培养物的表面发现一层奇特的固体膜，为了与植物纤维素区分而被命名为BC。BC是在某给定条件下，由生长在液态含糖基质中的少数几种细菌，如如醋杆菌，根瘤菌，土壤杆菌，气杆菌，无色杆菌和固氮菌等[1]分泌产生的胞外天然高分子材料，其中革兰氏阴性杆菌是大多数BC相关研究的焦点，因为这种菌株的产量和质量远远高于其他几种菌株。

BC生产的公认途径^[2]，以木霉菌培养物中的葡萄糖可总结为（图1）：葡萄糖（由葡萄糖激酶催化）→6-磷酸葡萄糖（由磷酸葡萄糖变位酶催化）→1-磷酸葡萄糖（由UDP-葡萄糖催化焦磷酸化酶）→UDP-葡萄糖（由纤维素合酶催化）→纤维素。其合成过程是低能耗的绿色过程，再因其独特的特性和结构在各种领域中备受关注。

图 1 细菌纤维素合成途径^[2]

BC在众多领域中得到应用，如食品工业中的传统甜点，胶凝剂，稳定剂和增稠剂，以及先进的高科技应用组织工程，心脏瓣膜假体，人造血管，骨骼，软骨角膜和皮肤以及牙根治疗等方面^[3]。

BC拥有与植物纤维素相似的结构，同时也有相同的分子式(C₆H₁₀O₅)n^[2]，也因此拥有相似的化学性质，例如超细纤维、高纯度化、高结晶度、优越的持水性、透气性以及优良的生物相容性和生物可降解性等^[4]。其由大量扭曲的带状原纤维ẞ-1,4-葡聚糖聚合组成，宽度为50-100nm，厚度达3-8nm的束状纤维，拥有超细纤维结构^[3]。细菌对纤维素带的连续纺丝导致形成高纯度的纳米纤维，BC的纤维含量达到95%，这使得它能更容易被分离提纯达。这种高纯度的3-D结构的纳米纤维，通过其纤丝间的和纤丝内的氢键稳定，使BC拥有15-30Gpa高杨氏模量和60-80%的高结晶度的特性^[5]，这也是BC能够成为创口敷料的原因之一。并且拥有优越的持水性，BC的吸水率比纱布的吸水率高30%以上，干燥时间延长了33%。Andre^[6]等人在发现并证明，BC有着优良的生物相容性和生物可降解性，可以在环境中的微生物、酸性等条件下降解，不会污染环境，是环境友好的产品，这是BC能成为创口敷料的关键。

BC的以上这些特性，达到了其作为创口敷料的要求：敷料的机械稳定性，适当的液体容量和与活体组织的相容性，以此来给创口提供利于愈合的微环境。吸水性和持水性能将液体药物和生物活性化合物装载到敷料材料中，并能防止敷料干燥并黏附于伤口上，避免伤口暴露或减轻更换敷料时产生的痛苦等。BC是一种水不溶性的惰性支持物，有很多孔道以及BC的高孔隙率和表面积，为抗菌剂的引入和释放创造了可能^[9]。

但是，值得注意的是BC本身没有抗菌能力，在某些病例中，例如慢性伤口，糖尿病性溃疡以及大面积烧伤，这些创口不做好抗菌手段，会造成创口的感染和化脓，甚至对病患的生命造成威胁。因此，随着科学技术的发展与市场需求的增长，人们研究出许多方法对BC进行改性来使得BC获得抗菌性能，以满足BC敷料对不同种创口的需求，并能针对到不同种类病菌的隔离与消灭。

本论文总结了BC纤维素抗菌敷料的当前进展，例如阳离子/BC创口敷料、聚合物/BC创口敷料、抗菌肽/BC创口敷料以及抗生素/BC创口敷料等^[1]。并给出了未来研究方向的展望，如利用通过光敏剂来使BC达到灭菌效果的方法等问题。

第2章 敷料

2 .1 敷料的历史发展

人类使用敷料的记录，最早在苏美尔文明时期，距今已有两千多年。当时的人们明确记载了治疗伤口的步骤：第一步用热水或者酒水来冲洗受伤部位，之后碾碎药草成膏状涂抹在伤口部位，最后进行包扎完毕^[10]。这是人类沿用千年的手段，唯独只有材料的更进如软麻布，绷带等敷料，这种简单的伤口敷料并不能防止创口愈合过程中细菌的渗入，或者是避免创口附近微生物的生长，而创口一旦感染并导致肉芽恶化组织，不仅会拖缓创口愈合的效率，严重情况更是会对伤者生命造成危险，即便是现代皮肤伤口受到细菌感染后也是高发病率和高死亡率^[11]，其中生活在黏膜或邻近皮肤的菌落，如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和革兰氏阳性菌都是主要病原体。

图 2（a)开放式伤口（b）经抗菌创口敷料包扎^[13]

直到19世纪巴氏消毒法的产生后，人们才将避免创口遭到细菌感染当作创口护理的标准。在那之后，德国的Paul Hartmann公司利用李斯特的消毒技术，开始大量制造无菌纱布敷料，其为第1个使用于医疗用途的脱脂绵(Cotton Wool)，使用干纱布治疗伤口的方式一直被沿用到20世纪初期^[10]。抗菌敷料由此产生，抗菌敷料在给创口提供有利于愈合的环境同时，还能避免外界细菌的感染和创口附近微生物的生长，从而达到加快创口愈合的效果，如图2我们明显可以看到抗菌敷料的成效。

为了解决避免伤口感染，并为创口提供一个稳定和有利愈合的微环境这个健康问题，世界各国各不同实验室都在研发抗菌创口敷料。创口敷料发展至今已经用不同的方式生产了各类材料，如海绵、水凝胶、水胶体和薄膜等。每一种材料都有自身的特性，如海绵拥有巨大的孔隙，拥有良好的隔热和保湿效果，却不适用于三度烧伤等伤口，而像水胶体很容易通过盐水或无菌水，非粘附性和高密度乃是无痛敷料，但水胶体却有难闻的气味，无法保持伤口pH等缺点^[12]。

2 .2 纯BC敷料的性能

理想的伤口敷料能满足伤口所需的空气和氧气的交换，并能促进细胞生长、增殖和胶原形成。在^[1]这项研究中，一系列体内和体外实验结果表明，BC纱布更有利于伤口愈合，用微流控芯片评价细胞迁移的实验表明，BC作为敷料材料拥有多孔结构，这种多孔结构有利于气体交换和营养物质等的通过，并有利于细胞的生长、迁移和增殖^[12]。此外，松散的网络结构有利于细胞间的相互作用，特别是细胞分泌的生长因子的影响。王蕾^[13]动物体内实验结果表明，BC-下表面有利于血管、红细胞和胶原蛋白的生成。这种现象的可能原因是：(1)细菌纤维素和纱布有不同的伤口愈合率。BC具有比纱布更好的生物相容性，并且BC含有大量的水和亲水性基团，这可以使BC在保护伤口方面发挥非常好的作用，同时在伤口愈合期间为细胞迁移、增殖和组织修复提供合适的环境。(2)不同的纤维结构影响伤口愈合。过于密集的网状纤维可能不利于伤口处营养物质、氧气和其他物质的交换。简而言之，细菌纤维素可以提供更有利于伤口愈合的微环境，如纱布。

虽然细菌纤维素是一种理想的伤口敷料，但它有一定的局限性。细菌纤维素本身不具有抗菌性，也不含有能够使创口处细胞增殖或者迁移的因子和成分。BC不适用于大面积深度烧伤、高感染风险伤口、慢性难治性伤口、老年儿童复杂伤口等^[3]。然而，通过某些复性和材料改进的方法，细菌纤维素可以被赋予抗菌和其他性质。

第3章 细菌纤维素抗菌敷料

纯的细菌纤维素并没有任何抗菌的性能，导致其在敷料的方面产生了一定的局限性和困难。在敷料应用方面也有一定的局限性。因此，将抗菌活性引入BC抗菌敷料中，能够使BC敷料获得特定的抗菌性能和特性。如表格1所示将抗菌剂浸渍到BC微孔结构中可使药物缓慢释放到定植的伤口中，并具有对抗微生物生长的持久作用。通常，将其他成分浸渍到BC结构中并不是一个复杂的过程。大的表面积以及能够进行分子间和化学相互作用的羟基的存在意味着BC对大型生物大分子（如蛋白质或多糖）以及较小的分子（如季铵化合物或纳米粒子）具有很大的吸附能力。但是，化学修饰可以为BC提供对所需抗菌物质的额外吸附能力。例如，BC的磷酸化导致更好的蛋白质吸附。所有测试的蛋白质（例如溶菌酶，血红蛋白，肌红蛋白和白蛋白）在低于其等电点的pH条件下均显示出明显的吸附在阴离子磷酸化BC表面上的吸附速率。Lin[14]等显示，随着BC底物中羧甲基官能团的增加，牛血清白蛋白的吸附量增加。此属性强调了在生物医学应用中使用BC作为能够携带特定伤口发生所必需的附加功能的材料的吸引力。

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