CN101569764B - 具有单向孔道阵列的细菌纤维素水凝胶及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉具有单向孔道阵列的细菌纤维素水凝胶及制备方法。利用微生物发酵方法制备纳米细菌纤维素水凝胶，经过碱液纯化处理并充分清洗后，得到纯净的细菌纤维素水凝胶，置于4℃环境下，利用加工中心或者程控微雕设备对其进行加工，再置于冰水中冷却以防止其受热变形，最后利用碱液和去离子水反复清洗后得到成品，平均直径为100-400μm且孔间距在1.0-1.5mm范围内为单向孔道阵列。本发明简便高效，并且可以通过控制模具和工艺参数等方法人为调控孔道的尺寸和排布。具有单向孔道的细菌纤维素水凝胶在组织工程领域，如骨组织、角膜组织和神经组织修复中都将发挥重要作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有单向孔道阵列的细菌纤维素水凝胶及制备方法。
背景技术
随着生物医学工程研究的发展，组织工程已经成为当今科研与临床应用的一大热点。组织工程支架材料的研究也备受研究人员的关注。目前，人们已经利用静电纺丝、相分离等方法制备出胶原、壳聚糖、壳素、透明质酸等众多的高分子组织工程支架。
细菌纤维素与上述生物高分子相比，具有特殊的结构和物理化学性能。细菌纤维素良好的力学性能、透气性能、生物相容性等性质使其在生物医用领域中具有十分广泛的商业化应用潜力。细菌纤维素制备的现代创伤敷料在1987年就有了成功用于治愈烧伤、烫伤及皮肤移植的例子。至今为止，细菌纤维素的医用商品已经出现了很多，如Biofil Gengiflex
等。
最近细菌纤维素作为软组织工程支架的研究也有了进展。相同的体外免疫反应程度下，软骨细胞在细菌纤维素基体上的生长速度要高于在海藻酸盐基体上的生长速度[A.Svensson，E.Nicklasson，T.Harrah，B.Panilaitis，D.L.Kaplan，M.Brittberg and P.Gatenholm.Bacterial cellulose as a potential scaffold for tissue engineering of cartilage，Biomaterials 26(2005)419-431]，平滑肌细胞在细菌纤维素基体上也能很好的增殖和分化[H. 
G.Helenius，A.Bodin，U.Nannmark，B.R.Johansson，B.Risberg and P.Gatenholm.Mechanical properties of bacterial cellulose and interactions with smooth musclecells，Biomaterials 27(2006)2141-2149]。
细菌纤维素(3～10nm)虽然具有天然精细的网络结构、优良的力学性能和生物相容性，但是天然细菌纤维素的孔径多为1μm左右。因此细胞只能在其表面黏附和增殖，不能很好的向材料内部长入。因此，为使细菌纤维素成为更加适宜的组织工程支架材料，制备含有大孔(50～400μm)的细菌纤维素多孔支架显得尤为关键。具有单向孔道阵列的细菌纤维素不仅具有适合细胞长入的大孔，其定向排列的孔道还可以诱导细胞的定向分化和生长，因此其在组织修复领域中占有重要地位，尤其是神经组织的修复需要有定向排列的孔道阵列诱导神经细胞和其突触的生长[J.S.Goldner，J.M.Bruder，G.Li，D.Gazzola and D.Hoffman-Kim.Neurite bridging across micropatterned grooves，Biomaterials27(2007)460-472]。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有单向孔道阵列的细菌纤维素水凝胶及制备方法。采用电脑程控微加工的方法制备出含有大孔的细菌纤维素海绵材料，可以适合细胞的黏附和向材料内部的长入，从而使得细菌纤维素更加适合作为组织工程支架使用。本发明具有高效、简便、快捷的特点。
本发明提供的一种具有单向孔道阵列的细菌纤维素水凝胶是以微生物(木醋杆菌)为原料制备，包括如下步骤：
利用微生物发酵方法制备纳米细菌纤维素水凝胶，经过碱液纯化处理并充分清洗后，得到纯净的细菌纤维素水凝胶，置于4℃环境下，利用加工中心或者程控微雕设备对其进行加工，再置于冰水中冷却以防止其受热变形，最后利用碱液和去离子水反复清洗后得到成品，平均直径为100-400μm且孔间距在1.0-1.5mm范围内为单向孔道阵列。
所述的微生物为根瘤菌属、八叠球菌属、假单胞菌属、无色杆菌属、产碱菌属、气杆菌属、固氮菌属、木醋杆菌的一种或几种。
所述的碱液纯化处理是用0.5M的氢氧化钠溶液在沸腾条件下处理2h。
本发明提供的一种多孔细菌纤维素水凝胶的制备方法包括如下步骤：将木醋杆菌生成的细菌纤维素水凝胶在4℃环境下，利用JG-1080数控激光切割机对其进行加工，设定参数为孔道直径150μm，孔道间距为1mm，得到的产品立即浸入冰水中1小时，最后经过0.5M氢氧化钠在沸腾条件下处理30min，再用去离子水清洗至中性得到成品并置于4℃下冷藏保存。
本发明制备出的具有单向孔道的细菌纤维素水凝胶具有适合细胞长入的大孔、很高的比表面积和适宜的孔隙率，并且很好的保留了细菌纤维素精细的纳米纤维空间网络结构。本发明具有高效、简便、快捷的特点，从而极大的优化了细菌纤维素作为组织工程支架材料的性能。
附图说明
图1具有单向孔道的细菌纤维素水凝胶的显微图片：(a)生物光镜照片；(b)和(c)扫描电镜(SEM)照片。
图2调整制备工艺参数后制备的具有单向孔道的细菌纤维素水凝胶的显微图片：(a)生物光镜照片；(b)和(c)扫描电镜(SEM)照片。
具体实施方式
实例1
按照文献[L.Hong，Y.L.Wang，S.R.Jia，Y.Huang，C.Gao，Y.Z.Wan.Hydroxyapatite/bacterial cellulose composites synthesizedvia a biomimetic route，Materials Letters 60(2006)1710-1713.]报导的方法以木醋杆菌(Acetobacter xylinum)为出发菌株，利用木醋杆菌作为生物反应器，经过发酵制备出乳白色的细菌纤维素水凝胶，细菌纤维素水凝胶为乳白色半透明片状胶状体。
将木醋杆菌生成的细菌纤维素水凝胶在4℃环境下，利用JG-1080电脑程控微雕机对其进行加工，设定参数加工功率为50～100W，激光延时为0.1～0.5s，加工步长为1mm，得到的产品立即浸入冰水中1小时，最后经过0.5M氢氧化钠在沸腾条件下处理30min，再用去离子水清洗至中性得到成品并置于4℃下冷藏保存。
将得到的具有单向孔道的细菌纤维素水凝胶由以下方式进行评价：
结构分析：
显微观察其微观结构可得到如下结论：图1a所示单向孔道阵列排布规则且间距为1mm，图1b所示其孔道呈现十分规则的圆形且直径为150-200μm左右，图1c所示经过微加工后其产品依然保持原先精细的纳米纤维网络结构。另外，通过控制工艺参数来调控孔道的尺寸和排布，具体实例请见实例2。
实例2
将木醋杆菌生成的细菌纤维素水凝胶在4℃环境下，利用JG-1080电脑程控微雕机对其进行加工，设定参数加工功率为60～100W，激光延时为0.5～0.8s，加工步长为1.5mm，得到的产品立即浸入冰水中1小时，最后经过0.5M氢氧化钠在沸腾条件下处理30min，再用去离子水清洗至中性得到成品并置于4℃下冷藏保存。
将得到的具有单向孔道的细菌纤维素水凝胶由以下方式进行评价：
结构分析：
显微观察其微观结构可得到如下结论：图1a所示单向孔道阵列排布规则且间距为1.5mm，图1b所示其孔道呈现十分规则的圆形且直径为300-400μm左右，图1c所示经过改变加工参数后其产品依然保持原先精细的纳米纤维网络结构。
Claims (5)
1.一种具有单向孔道阵列的细菌纤维素水凝胶，它是以微生物为原料，按如下步骤制备：利用微生物发酵方法制备纳米细菌纤维素水凝胶，经过碱液纯化处理并充分清洗后，得到纯净的细菌纤维素水凝胶，其特征在于：
将该细菌纤维素水凝胶置于4℃环境下，用JG-1080电脑程控微雕机对其进行加工，再置于冰水中冷却以防止其受热变形，最后利用碱液和去离子水反复清洗后得到成品，平均直径为100-400μm且孔间距在1.0-1.5mm范围内为单向孔道阵列。
2.根据权利要求1所述的细菌纤维素水凝胶，其特征在于：所述的微生物为根瘤菌属、八叠球菌属、假单胞菌属、无色杆菌属、产碱菌属、气杆菌属、固氮菌属、木醋杆菌的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的具有单向孔道阵列的细菌纤维素水凝胶，其特征在于：所述的微生物为木醋杆菌。
4.根据权利要求1所述的细菌纤维素水凝胶，其特征在于所述的碱液纯化处理是用0.5M的氢氧化钠溶液在沸腾条件下处理2h。
5.权利要求3所述的具有单向孔道阵列的细菌纤维素水凝胶的制备方法，其特征在于包括如下步骤：将木醋杆菌生成的细菌纤维素水凝胶在4℃环境下，利用JG-1080电脑程控微雕机对其进行加工，设定参数为：孔道直径150μm，孔道间距为1mm，得到的产品立即浸入冰水中1小时，最后经过0.5M氢氧化钠在沸腾条件下处理30min，再用去离子水清洗至中性得到成品并置于4℃下冷藏保存。
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