Manufacture of a novel anisotropic bacterial nanocellulose hydrogel membrane by using a rotary drum bioreactor

利用轉(zhuǎn)鼓生物反應(yīng)器制備新型各向異性細(xì)菌納米纖維素水凝膠膜

來(lái)源：Carbohydrate Polymers（2019年，第211卷）

 

論文總結(jié)

研究通過設(shè)計(jì)一種新型30-L水平旋轉(zhuǎn)鼓式生物反應(yīng)器，成功生產(chǎn)了各向異性的細(xì)菌納米纖維素（BNC）水凝膠膜，并評(píng)估了其結(jié)構(gòu)、性能及生產(chǎn)率。以下是對(duì)論文的詳細(xì)總結(jié)。

 

摘要概括

摘要指出，各向異性水凝膠膜在組織工程和生物分離中具有巨大潛力。本研究首次使用新設(shè)計(jì)的30-L水平旋轉(zhuǎn)鼓式生物反應(yīng)器生產(chǎn)了各向異性BNC水凝膠膜，并提高了BNC生產(chǎn)率。與傳統(tǒng)托盤靜態(tài)培養(yǎng)相比，旋轉(zhuǎn)鼓式生物反應(yīng)器產(chǎn)生的BNC水凝膠膜呈現(xiàn)各向異性形態(tài)、更稀疏的網(wǎng)絡(luò)、更低的干物質(zhì)含量（0.16 w/w%）、更厚的纖維直徑和更低的聚合度（但仍比棉花高1.8倍），并具有更高的紫外-可見光透射率，以及各向異性的拉伸性能、更低的楊氏模量（0.23 MPa）和壓縮模量（0.99 kPa）。干BNC和濕BNC的生產(chǎn)率分別提高了1.65倍和3.73倍。該技術(shù)不僅能獲得高透明度的各向異性BNC水凝膠膜，還能促進(jìn)BNC生產(chǎn)率。

 

研究目的

本研究旨在解決以下核心問題：

 

開發(fā)一種新型生物反應(yīng)器技術(shù)，生產(chǎn)各向異性的BNC水凝膠膜，以擴(kuò)展其在生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)中的應(yīng)用。

通過旋轉(zhuǎn)鼓式生物反應(yīng)器動(dòng)態(tài)培養(yǎng)，改善BNC的形態(tài)和性能，如提高透明度和降低機(jī)械模量。

提高BNC的生產(chǎn)率和產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本，使BNC更易于商業(yè)化。

 

比較旋轉(zhuǎn)鼓式培養(yǎng)與傳統(tǒng)托盤靜態(tài)培養(yǎng)的差異，全面評(píng)估BNC的結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和物理性能。

 

研究思路

研究采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

 

生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)30-L水平旋轉(zhuǎn)鼓式生物反應(yīng)器（Fig. 1A），與傳統(tǒng)托盤靜態(tài)培養(yǎng)（Fig. 1a）進(jìn)行對(duì)比。

微生物培養(yǎng)：使用Komagataeibacter xylinus ATCC 23770，在相同培養(yǎng)條件下（30°C，10天）進(jìn)行培養(yǎng)。

BNC純化與表征：純化BNC水凝膠膜后，使用掃描電子顯微鏡（SEM）分析形態(tài)和纖維直徑（Fig. 2）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析化學(xué)組成（Fig. 3A）、粘度法測(cè)定聚合度（DP）（Fig. 3B）、測(cè)量厚度和干物質(zhì)含量（Table 1A）、紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)量光透射率（Fig. 4C）、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量拉伸和壓縮性能（Fig. 5, Table 1B和1C）。

過程監(jiān)測(cè)：使用丹麥Unisense氧微傳感器監(jiān)測(cè)溶解氧（DO）（Fig. 6C），并測(cè)量pH、殘?zhí)呛图?xì)菌濃度（Fig. 6）。

 

生產(chǎn)率評(píng)估：計(jì)算干濕BNC的生產(chǎn)率和產(chǎn)量（Table 2）。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

以下列出關(guān)鍵測(cè)量數(shù)據(jù)、其來(lái)源（圖/表編號(hào)）及研究意義：

 

形態(tài)和纖維直徑數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 2）

 

數(shù)據(jù)：SEM圖像顯示旋轉(zhuǎn)鼓式培養(yǎng)的BNC呈各向異性形態(tài)，纖維直徑更大（21-25 nm），而托盤培養(yǎng)的BNC為各向同性且致密。

 

研究意義：各向異性形態(tài)源于旋轉(zhuǎn)鼓的定向作用，有利于應(yīng)用在需要方向性性能的領(lǐng)域，如組織工程支架。

 

FTIR光譜數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 3A）

 

數(shù)據(jù)：FTIR光譜顯示BNC樣品具有纖維素特征峰（如1158 cm?1的糖苷鍵），無(wú)蛋白質(zhì)殘留峰（如1550 cm?1的酰胺II峰）。

 

研究意義：證實(shí)BNC為純纖維素，純化效果好，確保材料生物相容性和應(yīng)用安全性。

 

聚合度（DP）數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 3B）

 

數(shù)據(jù)：旋轉(zhuǎn)鼓式培養(yǎng)的BNC的DP為3800，低于托盤培養(yǎng)的6450，但仍比棉花（~2100）高1.8倍。

 

研究意義：DP降低可能與動(dòng)態(tài)培養(yǎng)中的機(jī)械擾動(dòng)有關(guān)，但仍保持較高值，適合需要高強(qiáng)度纖維的應(yīng)用。

 

厚度和干物質(zhì)含量數(shù)據(jù)（來(lái)源：Table 1A）

 

數(shù)據(jù)：旋轉(zhuǎn)鼓式培養(yǎng)的BNC更厚（10.01 mm vs. 5.75 mm），干物質(zhì)含量更低（0.16% vs. 0.63%）。

 

研究意義：低干物質(zhì)含量意味著高含水率，使水凝膠更柔軟，適用于傷口敷料和柔性器件。

 

光透射率數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 4C）

 

數(shù)據(jù)：旋轉(zhuǎn)鼓式培養(yǎng)的BNC在400 nm和760 nm波長(zhǎng)下的透射率分別為30%和66%，高于托盤培養(yǎng)的6%和37%。

 

研究意義：高透光性使BNC適合光學(xué)應(yīng)用，如接觸鏡片和光電子設(shè)備。

 

拉伸性能數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 5A和Table 1B）

 

數(shù)據(jù)：旋轉(zhuǎn)鼓式培養(yǎng)的BNC呈現(xiàn)各向異性拉伸性能：沿旋轉(zhuǎn)方向的拉伸強(qiáng)度為0.23 MPa，沿軸方向僅為0.0017 MPa；楊氏模量分別為0.23 MPa和0.0015 MPa。

 

研究意義：各向異性性能允許定向力學(xué)響應(yīng)，在定制化組織工程中具有潛力。

 

壓縮性能數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 5B和Table 1C）

 

數(shù)據(jù)：旋轉(zhuǎn)鼓式培養(yǎng)的BNC壓縮模量為0.99 kPa，遠(yuǎn)低于托盤培養(yǎng)的13.58 kPa。

 

研究意義：低壓縮模量表明材料非常柔軟，適用于緩沖和襯墊應(yīng)用。

 

生產(chǎn)率數(shù)據(jù)（來(lái)源：Table 2）

 

數(shù)據(jù)：旋轉(zhuǎn)鼓式培養(yǎng)的干BNC生產(chǎn)率為0.15 g/(L·d)，濕BNC為93.5 g/(L·d)，分別比托盤培養(yǎng)提高1.65倍和3.73倍。

 

研究意義：生產(chǎn)率顯著提高，降低了BNC的生產(chǎn)成本，促進(jìn)大規(guī)模應(yīng)用。

 

溶解氧（DO）數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 6C）

 

數(shù)據(jù)：DO時(shí)間曲線顯示旋轉(zhuǎn)鼓式培養(yǎng)中DO水平更高且更穩(wěn)定。

 

研究意義：DO監(jiān)測(cè)優(yōu)化了培養(yǎng)條件，確保細(xì)菌生長(zhǎng)和纖維素合成效率。

 

研究結(jié)論

本研究得出以下核心結(jié)論：

 

旋轉(zhuǎn)鼓式生物反應(yīng)器成功生產(chǎn)了各向異性BNC水凝膠膜，具有高透光率、低干物質(zhì)含量和高柔軟性。

各向異性形態(tài)和性能源于旋轉(zhuǎn)鼓的定向作用，使BNC在拉伸和壓縮方面呈現(xiàn)方向依賴性。

生產(chǎn)率顯著提高，干濕BNC生產(chǎn)率分別提高1.65倍和3.73倍，降低了生產(chǎn)成本。

 

該技術(shù)為BNC在組織工程、傷口敷料和光電子設(shè)備中的應(yīng)用提供了新材料。

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

在本研究中，丹麥Unisense氧微傳感器用于監(jiān)測(cè)培養(yǎng)過程中的溶解氧（DO）濃度，其研究意義主要體現(xiàn)在：

 

實(shí)時(shí)原位監(jiān)測(cè)：Unisense微傳感器具有高靈敏度（尖端直徑~10 μm），能夠插入培養(yǎng)液或生物膜內(nèi)部實(shí)時(shí)測(cè)量DO濃度，而不擾動(dòng)培養(yǎng)環(huán)境（方法部分2.5和2.6）。這提供了動(dòng)態(tài)DO數(shù)據(jù)（Fig. 6C），幫助優(yōu)化通氣條件和旋轉(zhuǎn)速度。

過程優(yōu)化：DO數(shù)據(jù)顯示旋轉(zhuǎn)鼓式培養(yǎng)中DO水平更高且穩(wěn)定（Fig. 6C），這是由于鼓式反應(yīng)器的旋轉(zhuǎn)和通氣設(shè)計(jì)改善了氧傳遞，促進(jìn)了細(xì)菌生長(zhǎng)和纖維素合成。這直接貢獻(xiàn)于生產(chǎn)率的提高（Table 2）。

質(zhì)量控制：DO監(jiān)測(cè)確保了培養(yǎng)條件的一致性，避免了缺氧導(dǎo)致的細(xì)菌活性下降或纖維素合成受阻，保證了BNC質(zhì)量的可重復(fù)性。

機(jī)制理解：DO數(shù)據(jù)與細(xì)菌濃度和殘?zhí)菙?shù)據(jù)（Fig. 6A、6B、6D）結(jié)合，揭示了氧可用性對(duì)代謝的影響，支持了動(dòng)態(tài)培養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)。

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：Unisense系統(tǒng)的高精度和微創(chuàng)測(cè)量使其優(yōu)于傳統(tǒng)電極，特別適合生物膜和凝膠系統(tǒng)，為生物過程研究提供了可靠工具。

 

總之，丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)不僅是過程監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵，還通過提供實(shí)時(shí)DO信息，優(yōu)化了培養(yǎng)條件，直接促進(jìn)了BNC生產(chǎn)率的提高和材料性能的改善。沒有這些數(shù)據(jù)，培養(yǎng)條件的精確控制和機(jī)制理解將缺乏依據(jù)。