细菌纤维素在眼科等医学领域的研究与展望

胡 晨，唐义权

（江苏省海安市人民医院，江苏东台 224200）

近几十年来，由于材料科学与工程和高分子材料的快速发展，无论是人工合成高分子材料还是天然高分子材料都有了更广阔的应用前景。最近十年，由于生物医学工程的发展和医用材料的要求不断提高，高分子材料逐渐走进人们的视野中。天然的高分子材料现已经大范围应用于医学科学研究和医用材料中。其中天然高分子材料中的纤维素是医用高分子材料的一个主要组成部分。在纤维素中细菌纤维素又是现在国内外新型医用材料的关注热点。细菌纤维素（Bacterial cellulose, BC）最初是在1866年由英国生物学家布朗首先发现，他在培养醋酸杆菌的时候，无意间发现培养皿上方的表面形成了一次薄薄的白色凝胶膜。之后经过成分分析，白色的凝胶膜化学成分是纤维素，人们为了与已知的植物纤维素区分开，将这种纤维素重新命名为细菌纤维素。在弄清细菌纤维素的化学成分之后，科学家们又将目光集中到了细菌纤维素的形成机制上, 1947年人们首次详细解释了A xylinum纤维素合成的机制[1]。到了1950年后，相关研究人员又做了许多关于细菌纤维素的研究。Schramm等在19世纪50年代率先研究并提出了关于细菌纤维素合成过程中的影响因素[2-3]。研究结果阐述了细菌纤维素及BC合成抑制剂对细菌纤维素合成的影响。并在之后的研究中成功制备了细菌纤维素合成酶，对后面细菌纤维素的发展奠定了理论基础。之后的二三十年关于细菌纤维素的研究大都集中在A xylinum纤维素合成的机理和模型上，关于合成细菌纤维素的原材料研究很少。直到1977年Colvin等才开始研究使用单糖合成细菌纤维素。到了1980年之后，经过了一百多年的研究和探索，科学家们才逐渐意识到细菌纤维素在生物医用材料上的潜力。从这时开始，人们对细菌纤维素的研究从实验室的小规模制备研究发展到了工业化流水线的大规模生产。细菌纤维素发展到今天，在生物医用材料上已经有很多的用途，成了人们在医疗发展中不可或缺的重要部分。

1 细菌纤维素的基本性质

在首次发现并命名了细菌纤维素之后，经过了几十年的发展和研究人们发现；细菌纤维素的化学纯度高，可达99%以上，而且它的结晶度和含水量都较高，绿色无污染，而且在自然环境中的降解速度快，在腐蚀环境中有较高的抗菌性和耐蚀性。细菌纤维素以上提到的这些特性都决定了它在生物医用材料中的广阔应用前景。

为了观测和分析细菌纤维素的宏观形貌和微观形貌，科学家们在培养皿中制备出细菌纤维素后首先将其冷冻，然后进行干燥处理。得到的细菌纤维素标本宏观上形貌为白色泡沫状，质地较软而且有一定的光泽。细菌纤维素的正反两面结构有明细的不同，与空气接触的一面致密光滑，与培养皿接触的表面疏松多孔，且比较粗糙。通过显微镜观察细菌纤维素的微观结构可以发现，它呈三维网状结构，网状结构的直径孔径在2μm左右。细菌纤维素后表面膜的孔隙率在70%左右，而冻干后的细菌纤维素表面膜孔隙率在90%左右。通过透射电子显微镜可以观察到细菌纤维素的带宽在60～70 nm左右。

要想细菌纤维素更好地应用在医用材料之中，首先要考虑的是它的生物相容性和生物降解能力。国外科学家通过小白鼠对细菌纤维素的生物相容性做了相关研究[4]，发现在小白鼠的皮肤中植入细菌纤维素12周之后，小白鼠生命体征平稳，通过免疫组织筛查和显微镜观察细菌纤维素植入小白鼠皮肤后，未发现明显的排异反应，而在16周之后通过宏观观测，小白鼠植入细菌纤维素的皮肤部分没有出现肿胀和荚膜。上面的微观和宏观的实验结果都说明了细菌纤维素的优异的生物相容性。我国的相关研究人员对细菌纤维素的生物降解能力也做了大量的实验，选取成熟的小白鼠，在小白鼠的皮肤上植入细菌纤维素。7周之后取出植入细菌纤维素部分制作成标本，在透射电镜下观察植入细菌纤维素之后的皮肤组织。发现，随着时间的延长，细菌纤维素中的碳氧双键断裂，分子间的范德华力降低，这些结果都表明细菌纤维素在小白鼠体内发生了降解，证明细菌纤维素具有一定的生物降解能力。

2 细菌纤维素在眼科及其他医学领域中 的应用

2.1 细菌纤维素在眼科的应用

我国的相关研究人员通过在体外分离人眼角膜基质细胞和实验大耳白兔的角膜基质细胞，然后将细菌纤维素种植到两种角膜基质细胞中[5]。在完成种植之后在一定时间后对实验大耳白兔和人的角膜基质细胞进行生物检测。并将完成种植的实验大耳白兔角膜基质细胞-细菌纤维素复合物进行移植，移植到同种实验大耳白兔角膜上。完成移植后的实验大耳白兔分别在第一、第四和第八周进行前节OCT，角膜共聚焦，离体后的角膜组织检查和排异反应筛查。实验结果显示；人和实验兔的角膜基质细胞和细菌纤维素复合良好，复合后的细胞有良好的生长状态，第一周的生物检测显示实验大耳白兔的眼角膜没有明显炎症，但也没有发现新生血管。手术后的基质细胞-细菌纤维素复合物逐渐降解。第四周的生物检测显示植入组织的周围有新生血管的形成，角膜表面没有溃疡和炎症，也无水肿现象的发生。复合膜发生了明显的降解现象，复合膜的边界变得模糊不清。植入手术第八周之后的生物检测结果显示，细菌纤维素移植片附近的细胞生长状态良好，细胞增生活跃。周围的角膜内皮细胞的生长状态和数量都显示为正常状态。接近正常的角膜组织。以上结果都表明；细菌纤维素细胞没有毒性，同时作为角膜基质材料具有良好的生物相容性和生物可降解能力，在作为医学材料构建新型组织工程材料上有很大的应用前景。

2.2 细菌纤维素在生物医用材料中的应用

K-ucharska M和N-iekraszewicz A等[6]通过变化细菌纤维素培养基的化学组分来改善细菌纤维素的性能，其实验结果表明，通过改变培养基的成分可以改变细菌纤维素的性能，使得其生物相容性和生物可降解能力进一步提升，同时具备了原来不具备的良好的韧性，使得细菌纤维素在生物医学材料的应用前景更广阔。由于具有良好的生物相容性，所以人工制备的细菌纤维素膜可以作为缓释药物的载体。用细菌纤维素作为缓释药物的载体可以实现皮肤表面用药，可以加速皮肤创面的恢复，同时可以有效减轻疼痛感。同时因为细菌纤维素还有优异的抗菌性能，所以还可以有效阻止细菌感染皮肤创面。还有相关的研究结果表明[7]，细菌纤维素的抗菌性足以在人体内有效阻止大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的感染。除了以上的优点，与传统的生物医用材料相比，细菌纤维素的造价成本更低，生效更迅速[8]。截止到目前为止，细菌纤维素已经被用到了许多生物医用材料上，包括治疗各种皮肤创伤、烧伤烫伤。还有研究发现[9]，细菌纤维素已经可以具备作为人工皮肤支架的必要条件，利于术后毛细血管的长入。

国外的科研人员已经成功地将细菌纤维素（Bioprocess、X Cell 和 Biofil）进行工业流水化生产[10]。将其应用到皮肤创伤修复，通过对患者的追踪调研发现细菌纤维素能够明显减轻患者疼痛感觉，并能够有效促进创面愈合速度，减小创口的细菌感染风险，治疗效果明显好于传统的医用纱布。在关于皮肤烧伤的治疗上细菌纤维素也是表现优于传统医用敷料，经常在二度烧伤和三度烧伤治疗中应用[11]。细菌纤维素表现优于传统敷料的原因是其具有良好的机械韧性，可以更好地保护伤口，而且因为其抗菌性优异，还可以防止细菌感染，维持皮肤创面的湿润。在通过观察创面和创面周围皮肤的变化情况还有生物检测伤口细菌含量，都表明了细菌纤维素是一种优于传统医用敷料并能促进伤口愈合的新型组织工程材料。

2.3 细菌纤维素在人工血管中的应用

当人体内的血管因为某些原因不能正常工作的时候，就需要重新手术移植血管。但是如果要移植人的血管，那么将变得十分困难，因为人的血管源十分稀缺，而且造价十分高昂，还要面临手术之后的排异反应。术后的治疗价格也让患者很难承受。因此如果能找到合适的生物医学材料制造人工血管，那么这个问题就会迎刃而解。这时，因为细菌纤维素的特性，人们就开始研究利用细菌纤维素构建人工血管。细菌纤维素在人工血管中的应用最早出现在20世纪90年代。经过几年的发展，Schumann D等[12]将细菌纤维素为原材料制备的人工血管应用于显微外科中的血管吻合治疗。并发现细菌纤维素在人工血管的应用上具有极大的临床应用价值。后来Baeckdahl H等[13]又将细菌纤维素制备的人工血管应用到组织工程血管支架中，并研究了其机械性能。实验结果表明细菌纤维素人工血管的效果和人体本身动脉血管相似。所以细菌纤维素在人工血管上具有很大的应用前景。

2.4 细菌纤维素在骨组织工程支架的应用

近年来，细菌纤维素因为在生物医学材料中优异的表现，也被用来做骨组织工程支架。人体骨组织的有机物主要成分是纤维性胶原蛋白，无机物的组成成分主要是Ca和P。Ca和P的组合让人体的骨组织有了一定的硬度以支撑人体的运动。细菌纤维素的微观形态与骨纤维胶原蛋白类似，并且以前的文献也提到了细菌纤维素的优异的力学性能，这使得细菌纤维素在骨组织工程支架中有了应用的潜力。通过将Ca10(PO4)6(OH)2和细菌纤维素混合，在细菌纤维素的表面形成了与人体骨组织中Ca10(PO4)6(OH)2相似的晶体结构[13]，可以作为促进骨组织修复和骨细胞生长的生物医用材料使用。这为细菌纤维素在骨组织工程支架的应用提供了新的线索。

3 展望

经过几十年的发展，欧美、日韩等发达国家的细菌纤维素产业已经十分发达，已经在生物医学材料中有很多的应用，目前我国的细菌纤维素产量还与国际领先水平有一定的差距，还需要我国的相关工作人员继续努力。同时细菌纤维素具有很大的应用潜能，在眼科领域、构建人工皮肤、骨组织工程支架、人工血管、心脏瓣膜都有很大的应用前景，但是细菌纤维素与人体细胞的反应机制十分复杂，还需要进一步探究其反应机理。