細(xì)菌纖維素在眼科等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究與展望

胡 晨，唐義權(quán)

（江蘇省海安市人民醫(yī)院，江蘇東臺(tái) 224200）

近幾十年來(lái)，由于材料科學(xué)與工程和高分子材料的快速發(fā)展，無(wú)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(xué)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(jìn)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(xué)科學(xué)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(gè)主要組成部分。在纖維素中細(xì)菌纖維素又是現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外新型醫(yī)用材料的關(guān)注熱點(diǎn)。細(xì)菌纖維素（Bacterial cellulose, BC）最初是在1866年由英國(guó)生物學(xué)家布朗首先發(fā)現(xiàn)，他在培養(yǎng)醋酸桿菌的時(shí)候，無(wú)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(guò)成分分析，白色的凝膠膜化學(xué)成分是纖維素，人們?yōu)榱伺c已知的植物纖維素區(qū)分開(kāi)，將這種纖維素重新命名為細(xì)菌纖維素。在弄清細(xì)菌纖維素的化學(xué)成分之后，科學(xué)家們又將目光集中到了細(xì)菌纖維素的形成機(jī)制上, 1947年人們首次詳細(xì)解釋了A xylinum纖維素合成的機(jī)制[1]。到了1950年后，相關(guān)研究人員又做了許多關(guān)于細(xì)菌纖維素的研究。Schramm等在19世紀(jì)50年代率先研究并提出了關(guān)于細(xì)菌纖維素合成過(guò)程中的影響因素[2-3]。研究結(jié)果闡述了細(xì)菌纖維素及BC合成抑制劑對(duì)細(xì)菌纖維素合成的影響。并在之后的研究中成功制備了細(xì)菌纖維素合成酶，對(duì)后面細(xì)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(xì)菌纖維素的研究大都集中在A xylinum纖維素合成的機(jī)理和模型上，關(guān)于合成細(xì)菌纖維素的原材料研究很少。直到1977年Colvin等才開(kāi)始研究使用單糖合成細(xì)菌纖維素。到了1980年之后，經(jīng)過(guò)了一百多年的研究和探索，科學(xué)家們才逐漸意識(shí)到細(xì)菌纖維素在生物醫(yī)用材料上的潛力。從這時(shí)開(kāi)始，人們對(duì)細(xì)菌纖維素的研究從實(shí)驗(yàn)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(xì)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?cè)卺t(yī)療發(fā)展中不可或缺的重要部分。

1 細(xì)菌纖維素的基本性質(zhì)

在首次發(fā)現(xiàn)并命名了細(xì)菌纖維素之后，經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展和研究人們發(fā)現(xiàn)；細(xì)菌纖維素的化學(xué)純度高，可達(dá)99%以上，而且它的結(jié)晶度和含水量都較高，綠色無(wú)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(xì)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(cè)和分析細(xì)菌纖維素的宏觀形貌和微觀形貌，科學(xué)家們?cè)谂囵B(yǎng)皿中制備出細(xì)菌纖維素后首先將其冷凍，然后進(jìn)行干燥處理。得到的細(xì)菌纖維素標(biāo)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(xì)菌纖維素的正反兩面結(jié)構(gòu)有明細(xì)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(guò)顯微鏡觀察細(xì)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(xì)菌纖維素后表面膜的孔隙率在70%左右，而凍干后的細(xì)菌纖維素表面膜孔隙率在90%左右。通過(guò)透射電子顯微鏡可以觀察到細(xì)菌纖維素的帶寬在60～70 nm左右。

要想細(xì)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(guó)外科學(xué)家通過(guò)小白鼠對(duì)細(xì)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(xì)菌纖維素12周之后，小白鼠生命體征平穩(wěn)，通過(guò)免疫組織篩查和顯微鏡觀察細(xì)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(guò)宏觀觀測(cè)，小白鼠植入細(xì)菌纖維素的皮膚部分沒(méi)有出現(xiàn)腫脹和莢膜。上面的微觀和宏觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都說(shuō)明了細(xì)菌纖維素的優(yōu)異的生物相容性。我國(guó)的相關(guān)研究人員對(duì)細(xì)菌纖維素的生物降解能力也做了大量的實(shí)驗(yàn)，選取成熟的小白鼠，在小白鼠的皮膚上植入細(xì)菌纖維素。7周之后取出植入細(xì)菌纖維素部分制作成標(biāo)本，在透射電鏡下觀察植入細(xì)菌纖維素之后的皮膚組織。發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)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(xì)菌纖維素在小白鼠體內(nèi)發(fā)生了降解，證明細(xì)菌纖維素具有一定的生物降解能力。

2 細(xì)菌纖維素在眼科及其他醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中 的應(yīng)用

2.1 細(xì)菌纖維素在眼科的應(yīng)用

我國(guó)的相關(guān)研究人員通過(guò)在體外分離人眼角膜基質(zhì)細(xì)胞和實(shí)驗(yàn)大耳白兔的角膜基質(zhì)細(xì)胞，然后將細(xì)菌纖維素種植到兩種角膜基質(zhì)細(xì)胞中[5]。在完成種植之后在一定時(shí)間后對(duì)實(shí)驗(yàn)大耳白兔和人的角膜基質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行生物檢測(cè)。并將完成種植的實(shí)驗(yàn)大耳白兔角膜基質(zhì)細(xì)胞-細(xì)菌纖維素復(fù)合物進(jìn)行移植，移植到同種實(shí)驗(yàn)大耳白兔角膜上。完成移植后的實(shí)驗(yàn)大耳白兔分別在第一、第四和第八周進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示；人和實(shí)驗(yàn)兔的角膜基質(zhì)細(xì)胞和細(xì)菌纖維素復(fù)合良好，復(fù)合后的細(xì)胞有良好的生長(zhǎng)狀態(tài)，第一周的生物檢測(cè)顯示實(shí)驗(yàn)大耳白兔的眼角膜沒(méi)有明顯炎癥，但也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新生血管。手術(shù)后的基質(zhì)細(xì)胞-細(xì)菌纖維素復(fù)合物逐漸降解。第四周的生物檢測(cè)顯示植入組織的周圍有新生血管的形成，角膜表面沒(méi)有潰瘍和炎癥，也無(wú)水腫現(xiàn)象的發(fā)生。復(fù)合膜發(fā)生了明顯的降解現(xiàn)象，復(fù)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(cè)結(jié)果顯示，細(xì)菌纖維素移植片附近的細(xì)胞生長(zhǎng)狀態(tài)良好，細(xì)胞增生活躍。周圍的角膜內(nèi)皮細(xì)胞的生長(zhǎng)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(xì)菌纖維素細(xì)胞沒(méi)有毒性，同時(shí)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(xué)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(xì)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(guò)變化細(xì)菌纖維素培養(yǎng)基的化學(xué)組分來(lái)改善細(xì)菌纖維素的性能，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)改變培養(yǎng)基的成分可以改變細(xì)菌纖維素的性能，使得其生物相容性和生物可降解能力進(jìn)一步提升，同時(shí)具備了原來(lái)不具備的良好的韌性，使得細(xì)菌纖維素在生物醫(yī)學(xué)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(xì)菌纖維素膜可以作為緩釋藥物的載體。用細(xì)菌纖維素作為緩釋藥物的載體可以實(shí)現(xiàn)皮膚表面用藥，可以加速皮膚創(chuàng)面的恢復(fù)，同時(shí)可以有效減輕疼痛感。同時(shí)因?yàn)榧?xì)菌纖維素還有優(yōu)異的抗菌性能，所以還可以有效阻止細(xì)菌感染皮膚創(chuàng)面。還有相關(guān)的研究結(jié)果表明[7]，細(xì)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(diǎn)，與傳統(tǒng)的生物醫(yī)用材料相比，細(xì)菌纖維素的造價(jià)成本更低，生效更迅速[8]。截止到目前為止，細(xì)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(xì)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(xì)血管的長(zhǎng)入。

國(guó)外的科研人員已經(jīng)成功地將細(xì)菌纖維素（Bioprocess、X Cell 和 Biofil）進(jìn)行工業(yè)流水化生產(chǎn)[10]。將其應(yīng)用到皮膚創(chuàng)傷修復(fù)，通過(guò)對(duì)患者的追蹤調(diào)研發(fā)現(xiàn)細(xì)菌纖維素能夠明顯減輕患者疼痛感覺(jué)，并能夠有效促進(jìn)創(chuàng)面愈合速度，減小創(chuàng)口的細(xì)菌感染風(fēng)險(xiǎn)，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(xì)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(xì)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(jī)械韌性，可以更好地保護(hù)傷口，而且因?yàn)槠淇咕詢?yōu)異，還可以防止細(xì)菌感染，維持皮膚創(chuàng)面的濕潤(rùn)。在通過(guò)觀察創(chuàng)面和創(chuàng)面周圍皮膚的變化情況還有生物檢測(cè)傷口細(xì)菌含量，都表明了細(xì)菌纖維素是一種優(yōu)于傳統(tǒng)醫(yī)用敷料并能促進(jìn)傷口愈合的新型組織工程材料。

2.3 細(xì)菌纖維素在人工血管中的應(yīng)用

當(dāng)人體內(nèi)的血管因?yàn)槟承┰虿荒苷９ぷ鞯臅r(shí)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?yàn)槿说难茉词窒∪?，而且造價(jià)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(jià)格也讓患者很難承受。因此如果能找到合適的生物醫(yī)學(xué)材料制造人工血管，那么這個(gè)問(wèn)題就會(huì)迎刃而解。這時(shí)，因?yàn)榧?xì)菌纖維素的特性，人們就開(kāi)始研究利用細(xì)菌纖維素構(gòu)建人工血管。細(xì)菌纖維素在人工血管中的應(yīng)用最早出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代。經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，Schumann D等[12]將細(xì)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(xì)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(jià)值。后來(lái)Baeckdahl H等[13]又將細(xì)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(jī)械性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明細(xì)菌纖維素人工血管的效果和人體本身動(dòng)脈血管相似。所以細(xì)菌纖維素在人工血管上具有很大的應(yīng)用前景。

2.4 細(xì)菌纖維素在骨組織工程支架的應(yīng)用

近年來(lái)，細(xì)菌纖維素因?yàn)樵谏镝t(yī)學(xué)材料中優(yōu)異的表現(xiàn)，也被用來(lái)做骨組織工程支架。人體骨組織的有機(jī)物主要成分是纖維性膠原蛋白，無(wú)機(jī)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(yùn)動(dòng)。細(xì)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(xiàn)也提到了細(xì)菌纖維素的優(yōu)異的力學(xué)性能，這使得細(xì)菌纖維素在骨組織工程支架中有了應(yīng)用的潛力。通過(guò)將Ca10(PO4)6(OH)2和細(xì)菌纖維素混合，在細(xì)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(jìn)骨組織修復(fù)和骨細(xì)胞生長(zhǎng)的生物醫(yī)用材料使用。這為細(xì)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(guò)幾十年的發(fā)展，歐美、日韓等發(fā)達(dá)國(guó)家的細(xì)菌纖維素產(chǎn)業(yè)已經(jīng)十分發(fā)達(dá)，已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)材料中有很多的應(yīng)用，目前我國(guó)的細(xì)菌纖維素產(chǎn)量還與國(guó)際領(lǐng)先水平有一定的差距，還需要我國(guó)的相關(guān)工作人員繼續(xù)努力。同時(shí)細(xì)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(xì)菌纖維素與人體細(xì)胞的反應(yīng)機(jī)制十分復(fù)雜，還需要進(jìn)一步探究其反應(yīng)機(jī)理。