Comparison of two types of bioreactors for synthesis of bacterial nanocellulose tubes as potential medical prostheses including artificial blood vessels

兩種生物反應(yīng)器合成細(xì)菌納米纖維素管作為潛在醫(yī)療假體（包括人工血管）的比較

來源：Journal of Chemical Technology and Biotechnology, Volume 92, pages 1218-1228, 2017

《化學(xué)技術(shù)與生物技術(shù)》，第92卷，第1218-1228頁，2017年

 

摘要：

摘要部分闡述了細(xì)菌納米纖維素（BNC）管在人工血管等醫(yī)療假體中的應(yīng)用前景。研究首次比較了兩種生物反應(yīng)器（雙硅膠管D-BNC和單硅膠管S-BNC）在合成BNC管時(shí)的差異，使用果糖或葡萄糖作為碳源。結(jié)果顯示，D-BNC生物反應(yīng)器由于氧氣供應(yīng)更好，產(chǎn)量更高，機(jī)械性能更優(yōu)；高果糖濃度增加D-BNC產(chǎn)量，但對(duì)S-BNC影響小；果糖賦予更強(qiáng)機(jī)械性能但水滲透性較低。兩種管均由多孔納米纖維網(wǎng)絡(luò)組成，但橫截面形態(tài)和纖維分布不同。

 

研究目的：

研究目的是比較兩種生物反應(yīng)器（D-BNC和S-BNC）在BNC管制備過程中的差異，包括培養(yǎng)條件、氧氣供應(yīng)、細(xì)菌分布等，以調(diào)節(jié)BNC管的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，用于開發(fā)更有效的人工血管等醫(yī)療假體，解決小口徑血管移植中的問題，如內(nèi)膜增生和栓塞。

 

研究思路：

研究思路是通過使用Gluconacetobacter xylinus菌株，在兩種生物反應(yīng)器（D-BNC和S-BNC）中培養(yǎng)BNC管，使用不同濃度（50 g/L和100 g/L）的葡萄糖和果糖作為碳源。測(cè)量培養(yǎng)過程中的殘?zhí)菨舛取H變化、溶解氧（DO）、細(xì)菌分布、BNC產(chǎn)量，以及最終管的機(jī)械性能（拉伸強(qiáng)度、爆破壓力、水滲透性）和形態(tài)（FE-SEM）。通過對(duì)比分析，評(píng)估生物反應(yīng)器類型、糖類型和濃度對(duì)BNC管性質(zhì)的影響。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義：

1 溶解氧（DO）變化：數(shù)據(jù)來自圖2，顯示培養(yǎng)過程中DO的消耗和平衡。研究意義在于揭示氧氣供應(yīng)對(duì)細(xì)菌代謝和BNC合成的影響，D-BNC生物反應(yīng)器由于雙氧供應(yīng)，DO更高，促進(jìn)BNC產(chǎn)量。

 

2 DO分布：數(shù)據(jù)來自圖3，顯示培養(yǎng)4天后生物反應(yīng)器中不同位置的氧氣濃度。研究意義在于證明氧氣梯度影響細(xì)菌分布，D-BNC生物反應(yīng)器在內(nèi)外管位置DO更高，導(dǎo)致更均勻的BNC形成。

 

3 細(xì)菌分布：數(shù)據(jù)來自圖4，通過熒光顯微鏡觀察細(xì)菌在BNC管中的聚集。研究意義在于驗(yàn)證細(xì)菌主要在空氣-液體界面聚集，影響B(tài)NC層狀結(jié)構(gòu)形成，D-BNC生物反應(yīng)器有兩個(gè)細(xì)菌區(qū)，導(dǎo)致更均勻的管壁。

 

4 糖消耗：數(shù)據(jù)來自圖5，顯示培養(yǎng)過程中殘?zhí)菨舛茸兓Ｑ芯恳饬x在于比較糖利用速率，葡萄糖消耗快于果糖，但果糖更利于BNC合成，D-BNC生物反應(yīng)器糖消耗更多，產(chǎn)量更高。

 

5 pH變化：數(shù)據(jù)來自圖6，顯示培養(yǎng)過程中pH下降。研究意義在于揭示代謝副產(chǎn)物酸的影響，葡萄糖導(dǎo)致pH更低，約束BNC合成，而果糖條件更溫和。

 

6 BNC產(chǎn)量：數(shù)據(jù)來自圖7，顯示最終BNC干重。研究意義在于評(píng)估不同條件下的產(chǎn)量，D-BNC生物反應(yīng)器產(chǎn)量更高，尤其使用高濃度果糖時(shí)，達(dá)4.24 g/L。

 

7 拉伸強(qiáng)度：數(shù)據(jù)來自圖8，顯示BNC管的軸向拉伸力。研究意義在于評(píng)估機(jī)械性能，隨時(shí)間增加，果糖條件強(qiáng)度更高，D-BNC管最強(qiáng)（18.04 N），適用于血管假體。

 

8 爆破壓力：數(shù)據(jù)來自圖9，顯示管壁耐壓能力。研究意義在于評(píng)估圓周方向強(qiáng)度，D-BNC管爆破壓力更高（0.12 MPa），超過人體血壓，確保安全性。

 

9 水滲透性：數(shù)據(jù)來自圖10，顯示水通過管壁的速率。研究意義在于評(píng)估多孔性，影響營(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸和細(xì)胞長(zhǎng)入，所有管水滲透性均較低（<9 mL/cm2/min），適合植入。

 

 

10 形態(tài)特征：數(shù)據(jù)來自圖11、12和表1，顯示橫截面和纖維網(wǎng)絡(luò)。研究意義在于揭示結(jié)構(gòu)差異，S-BNC管呈層狀，D-BNC管均勻多孔，影響機(jī)械性能和生物相容性。

 

 

 

 

結(jié)論：

結(jié)論是果糖作為碳源比葡萄糖更利于BNC生產(chǎn)，賦予更強(qiáng)機(jī)械性能；D-BNC生物反應(yīng)器由于氧氣供應(yīng)更好，產(chǎn)量更高，管結(jié)構(gòu)均勻，性能優(yōu)異，適用于人工血管等醫(yī)療假體；S-BNC管呈層狀結(jié)構(gòu)，性能較弱，可作為復(fù)合材料基礎(chǔ)。通過調(diào)節(jié)糖類型、濃度和培養(yǎng)時(shí)間，可控制BNC管性質(zhì)。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：

使用丹麥Unisense OX-13896電極測(cè)量溶解氧（DO），研究意義在于精確監(jiān)測(cè)培養(yǎng)過程中的氧氣水平，以評(píng)估生物反應(yīng)器的氧氣供應(yīng)效率。測(cè)量顯示，D-BNC生物反應(yīng)器由于雙硅膠管設(shè)計(jì)，DO更高（如初始DO達(dá)1100-1143 μmol/L），促進(jìn)細(xì)菌生長(zhǎng)和BNC合成；而S-BNC生物反應(yīng)器DO較低（684-697 μmol/L），導(dǎo)致氧氣梯度大，細(xì)菌分布不均。DO分布數(shù)據(jù)（圖3）進(jìn)一步揭示氧氣在管壁位置的差異，影響B(tài)NC層形成。這有助于優(yōu)化培養(yǎng)條件，確保BNC管在缺氧模擬環(huán)境中的質(zhì)量，為醫(yī)療應(yīng)用提供可靠數(shù)據(jù)。