CN101921700A - 一种制备中空异形细菌纤维素材料的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备中空异形细菌纤维素材料的装置及方法，该装置包括密闭容器，第二管状部件，第一管状部件，圆柱空心塞，第一管状部件与第二管状部件同轴套于第二管状部件管腔内，第二管状部件的开口处通过圆柱空心塞与第一管状部件密封，第一管状部件与第二管状部件的间隙为倒入发酵培养基的空间；其方法包括：将细菌纤维素生产菌株接入液体培养基扩培后，将其转移到含透氧模具的发酵装置中，培养后收获异形细菌纤维素材料。本发明制备的中空异形BC材料不仅其尺寸和形状是可控的，而且发酵装置的模具可拆卸，重复使用；该中空异形BC材料可广泛应用于人工血管、神经纤维导管等中空器官的替代品，还可作为食品包裹材料如肉制品肠衣、果冻外衣等。

Description

一种制备中空异形细菌纤维素材料的装置及方法

技术领域

本发明属于细菌纤维素材料的制备领域，特别涉及一种制备中空异形细菌纤维素材料的装置及方法。

背景技术

细菌纤维素(Bacterial Cellulose，简称BC)由于具有独特的三维纳米纤维网状结构，高的持水性、聚合度、结晶度和强度，良好的生物相容性和无过敏反应，因此在人工血管、组织工程支架、人工皮肤以及治疗皮肤损伤等方面具有广泛的用途，是国际生物医用材料研究的热点之一。

早在上世纪初，自体血管移植已经被应用到动脉血管重建，但是自体血管的来源有限，长期以来，全世界的科学家都在寻找血管代替物，主要是研究移植材料，这一材料必须能容易融合到患者的组织中而且要一直保持紧密联系，这样一些临床问题例如植入体松动、植入体附近组织破坏、疼痛、还有手术修正等都可以避免了。特别是移植的材料中，人工血管材料是直接接触血液的，必须要满足下列要求：良好的生物和血液相容性，抗血压的机械强度，对血液及其组分的不可透过性以及可消毒性。此外，生物材料的内表面不应吸附或者黏附血液组分，而应被覆盖内皮细胞，相反地，植入体的外表面应该被包裹结缔组织。

商品化的血管替代物材料PTFE(聚四氟乙烯)，PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)，聚氨基甲酸脂或者聚硅酮等，通过肝素处理、固定化尿激酶处理或等离子体处理材料内壁或者在材料的内壁移植内皮细胞等方法处理，这些血管替代物材料能很好的满足外科血管手术要求(管径大于6mm)，当这些材料用于占人体血管大多数的微血管和毛细血管替代物(管径为1-6mm)时，往往在血管结合区域出现内膜细胞减生现象，大规模血管周纤维化或者管内形成大量血栓。因此在的显微外科手术中，这些材料的临床应用并不成功。

由于纤维素能溶于某些化学试剂，因此很早就有人希望将细菌纤维素溶液灌注模具来“铸造”有形状的空腔生物材料。然而效果却并不理想，所获得的纤维素产品不具有原细菌纤维素的优良特性，这可能是由于它的物理结构被改变而导致性能劣化。那么能否通过让细菌在产品模具中发酵合成纤维素获得有形材料呢？由于木醋杆菌合成纤维素是一个耗氧的次级代谢过程，纤维素易形成于空气与培养液的交界处，因此氧气是纤维素形成的重要因素。已有的研究表明，只要在静置发酵液中提供表面透氧性能良好、具有一定形状的模具，在模具表面就可以形成该形状的纤维素膜，这样利用细菌在线发酵制备有形生物医 用材料就成为可能。

1990年，日本人Yamanaka等以成年杂种狗为实验对象，使用一种专利方法制备管状BC材料，将制备好的管状BC材料植入到其大动脉和颈静脉血管中，发现虽然在血管缝合处以及BC管内壁有轻微的血栓吸附，但是BC管始终保持良好的通畅度。2001年，德国人Klemm等以大白鼠为实验对象，用典型的首尾接合的方法研究了BC管作为微血管替代物情况。手术后的这段时间，大白鼠没有用任何抗凝药物处理，观察到颈动脉-BC管复合体被结缔组织包裹，上面布满类似血管滋养管的小血管，BC管完全被活体组织包裹没有任何排斥反应。所有植入的BC管在手术后都保持100％的畅通率，而且没有血栓凝结或者组织增生的现象。因此证明了凝胶状的管状BC材料以其高机械强度、大的持水力、十分规则的内表面和极好的生物相容性等特点，在显微外科手术中作为组织工程血管替代物的巨大应用前景。

BC除了用于人造血管等医用材料外，还可以用于人工皮肤等伤科敷料。微生物纤维素独特三维网状结构内部有很多“孔道”，有良好的透气、透水性能，能吸收60～700倍于其干重的水份，这些水分是以自由水的形式存在。使用BC作为伤口敷料能够迅速吸收伤口血液和组织液，防止伤口感染化脓，又能为慢性伤口附近的组织再生提供湿润的环境促进伤口愈合和减轻疼痛。同时纤维素不会和伤口粘连，不会造成二次伤害，剥离时也不会有残留。自1987年以来，巴西连续报道了400多例应用细菌纤维素膜对烧伤、烫伤、褥疮、冻伤、皮肤移植和慢性皮肤溃疡等治疗效果良好的实例。现已有用其制成的人工皮肤(商品名为BioFill)、纱布、绷带和“创口贴”等伤科敷料商品上市。另外一种叫做Xcell的BC创伤敷料也被用来促进慢性创伤的愈合，同样也表现出很好的治疗效果。研究显示这种BC敷料在慢性创伤的应用方面较之其他材料的敷料能够更有效地促进伤口愈合。与其它人工皮肤和伤科敷料相比，该膜的主要特点是在潮湿情况下机械强度高、对液、气及电解物有良好的通透性、与皮肤相容性好，无刺激性，可有效缓解疼痛，防止细菌的感染和吸收伤口渗出的液体，促进伤口的快速愈合，有利于皮肤组织生长。此膜作为缓释药物的载体携带各种药物，利于皮肤表面给药，促使创面的愈合和康复。因此，该纤维素作为一种极具应用潜力的生物材料具有广阔的市场应用前景。

但现有技术方法的生产成本和生产效率都不尽人意，且材料外表面或者内表面粗糙，无法进行工业化生产和应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种制备中空异形细菌纤维素材料的装置及方法，该方法制备的中空异形BC材料不仅其尺寸和形状是可控的，而且发酵装置的模具可拆卸，重复使用，且制备方法简便易行，成本低廉，生产效率高，适用于工业化生产；该中空异形BC材料可广泛应用于人工血管、神经纤维导管等中空器官的替代品，还可作为食品包裹材料如肉制品肠衣、果冻外衣等。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种制备中空异形细菌纤维素材料的装置，包括密闭容器，第二管状部件，第一管状部件和圆柱空心塞，所述第一管状部件与第二管状部件同轴套于第二管状部件管腔内，第二管状部件的开口处通过圆柱空心塞与第一管状部件密封，第一管状部件与第二管状部件的间隙为倒入发酵培养基的空间。

所述的第一管状部件和第二管状部件为圆柱状，或多岔管状，或手形中空状。

所述的第二管状部件和第一管状部件的横截面形状为圆形、方形、椭圆形、三角形、心形、五角星形。

所述的倒入发酵培养基的空间、第二管状部件和圆柱空心塞皆位于密闭容器内。

所述的第一管状部件和第二管状部件的材料均为具有透气但不透水性能的材料。

所述的具有透气但不透水性能的材料选自硅胶、陶瓷、纸、玻璃纸、无纺布、紫砂、尼龙、奥纶、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚乙烯乙醇、涤纶、特氟纶、膨体聚四氟乙烯、真丝、尼龙纤维、涤纶纤维、丙纶纤维、再生纤维素纤维、GERO-TEX、EVENT、ADVANCE-TEX、TEXAPROE、DENTIKS、KING-TEX中的一种或几种组合。

本发明的一种制备中空异形细菌纤维素材料的方法，包括：

(1)菌种培养

将细菌纤维素生产菌株接入液体培养基扩培，于20-30℃、100-250r/min条件下，经摇床培养或者静置培养12～48h后备用；

(2)中空异形细菌纤维素材料的发酵制备

向上述装置的空间中，注满步骤(1)制备的含生产菌株的液体培养基，并确保不漏液，然后向第一管状部件内注入氧气或空气，并将整个发酵装置放入充满氧气或空气的环境中，于20～32℃进行发酵培养4-20天，细菌纤维素产生菌便会在第二管状部件的内表面和第一管状部件的外表面上分别合成纤维素，并最终形成一个具备模具形状的细菌纤维素整体材料；

(3)材料处理

将制备的中空异形细菌纤维素材料从模具上取下，然后浸泡于0.5～2wt％的NaOH溶液中，70-100℃水浴处理30-120min，使细菌纤维素材料呈白色半透明后即可；然后洗涤至中性，即得异形细菌纤维素产品。

所述步骤(1)中的BC生产菌株为醋酸菌属(Acetobacter sp.)、葡萄糖酸杆菌属(Gluconobacter sp.)、葡糖酸醋杆菌属(Gluconacetobacter sp.)、根瘤菌属(Rhizobium sp.)、八叠球菌属(Sarcina sp.)、假单胞菌属(Pseudomounas sp.)、无色杆菌属(Achromobactersp.)、产碱菌属(Alcaligenes sp.)、气杆菌属(Aerobacter sp.)、固氮菌属(Azotobacter sp.)、土壤杆菌属(Agrobacterium sp.)、洋葱假单胞菌(Seudomonas cepacia)、空肠弯曲菌(Campylobacter jejuni)或红茶菌(kombucha)；其中优选菌株为木醋杆菌(Acetobacterxylinum)或红茶菌；

其中，除红茶菌以外的菌种按2～3接种环的接种量接入液体种子培养基；红茶菌按接入1-10片直径0.5cm圆片含菌BC膜的接种量接入液体种子培养基；

或者先制备生产菌的液体种子，再转接入液体发酵培养基；除红茶菌以外的菌种按2～3接种环的接种量接入液体种子培养基制备种子液，然后按3vol％～20vol％的接种量转接到液体发酵培养基；红茶菌按接入1-10片直径0.5cm圆片含菌BC膜的接种量接入液体种子培养基，以及按1～10片直径0.5-1cm圆片含菌BC膜的接种量转接到液体发酵培养基。

所述的除了红茶菌以外的液体种子培养基和液体发酵培养基的组分均为：每1L水中，甘露醇、葡萄糖、麦芽糖、蔗糖或果糖20-200g、蛋白胨或胰蛋白胨3g、酵母浸膏5g，pH3.0-7.5，121℃灭菌20min；或甘露醇、葡萄糖、蔗糖或果糖20-200g，酵母浸膏5g，蛋白胨或胰蛋白胨5g，柠檬酸115g，Na₂HPO₄2.7g，水1L，pH3.0-7.5，121℃灭菌20min；

红茶菌液体种子培养基和液体发酵培养基，其组成均为：(1)每1L水中，绿茶或者红茶1-10g(茶叶5g时最优)，葡萄糖、蔗糖或者果糖10～200g、蛋白胨或者胰蛋白胨3g、酵母浸膏5g，pH3.0-7.5，巴氏灭菌30min；(2)将葡萄糖、蔗糖或果糖、绿茶或红茶、以及水配成培养基，其中糖、茶、水的质量比为5∶0.1-0.4∶100-200，pH3.0-7.5，巴氏灭菌30min；或者(3)每1L水中，甘露醇、葡萄糖、蔗糖或果糖20-200g、蛋白胨或胰蛋白胨3g、酵母浸膏5g，pH3.0-7.5，121℃灭菌20min；其中，最优培养基为(1)的配方。

所述步骤(2)中的含生产菌株的液体培养基为步骤(1)制备的含生产菌株的液体种子培养基或含生产菌株的液体发酵培养基。

目前已有的BC中空异形材料的制备技术一般采用单层透氧模具制备，效率低且外表面或者内表面粗糙，本发明采用两种形状相同、尺寸或内外径不同的，但具有透气性能的模具材料，轴对称地固定在一起的发酵装置，BC产生菌会在外模具的内表面和内模具的外表面上分别合成BC，并最终形成一个具备模具形状的BC整体材料。制备的异形BC材料不仅具有较好的强度和内外均光滑平整的表面，而且从两个方向合成BC，生产效率大大提升。为了进一步提高异形BC材料的制备效率，可将上述多个用于培养的发酵装置同时放入到充满氧气或空气的培养环境中以提高产量。

根据所需制备的BC材料的尺寸和形状，选择合适的模具材料，制备出横截面形状为圆形、方形、椭圆形、三角形、心形、五角星形等异形BC材料。

本发明制备得到异形细菌纤维素材料作为一种新型纳米生物材料不仅可以用于人工血管、覆盖神经纤维的护套，还可用于人造气管、输尿管、组织工程支架、人工皮肤、脑膜，以及某些中空器官的替代品；或者可作为一种可食用的食品包裹材料(如肉制品肠衣、果冻外衣等)等，具有非常广阔的应用范围和美好的应用前景。

有益效果

(1)本发明制备的中空异形BC材料相较于其他物理化学的方法，不仅保留了其独特的三维网状纳米结构、高化学纯度、高结晶度、高聚合度、高强度以及良好的生物相容性等优点，而且材料的内外表面均光滑平整；

(2)本发明中BC产生菌会在外模具(第二管状部件)的内表面和内模具(第一管状部件)的外表面这两个方向上分别合成BC，生产效率比以往采用单层模具时大大提升，制备方法简便易行，成本低廉，可工业化生产；

(3)本发明制备的空异形BC材料不仅其尺寸和形状是可控的，而且发酵装置的模具可拆卸，重复使用，所制备的各种异形BC材料可以在表面毫无损伤的情况下剥离出来。

附图说明

图1为本发明管状细菌纤维素材料的剖视图一，

图中：1-密闭容器，2-第二管状部件，3-倒入发酵培养基的空间，4-第一管状部件，5-圆柱空心塞；

图2为本发明管状细菌纤维素材料的剖视图二，

图中：1-密闭容器，2-第二管状部件，3-倒入发酵培养基的空间，4-第一管状部件，5-圆柱空心塞；

图3为多岔管状细菌纤维素材料的剖视图，

图中：1-密闭容器，2-第二管状部件，3-倒入发酵培养基的空间，4-第一管状部件，5-圆柱空心塞；

图4为手形中空细菌纤维素材料的剖视图，

图中：1-密闭容器，2-第二管状部件，3-倒入发酵培养基的空间，4-第一管状部件，5-圆柱空心塞；

图5为发酵7天制备的管形细菌纤维素材料的实物图；

图6为发酵4天制备的管形细菌纤维素材料的电镜图；其中A1为内表面，放大1000倍；A2为内表面，放大3000倍；B1为外表面，放大1000倍；B2为外表面，放大3000倍；C1为与管中心轴方向垂直截面(横截面)，放大500倍；C2为与管中心轴方向垂直截面(横截面)，放大3000倍；D1为沿管中心轴方向截面(纵截面)，放大1000倍；D2为沿管中心轴方向截面(纵截面)，放大3000倍；

图7为发酵7天制备的管形细菌纤维素材料的电镜图；其中E1为内表面，放大1000倍；E2为内表面，放大3000倍；F1为外表面，放大1000倍；F2为外表面，放大3000倍；G1为与管中心轴方向垂直截面，放大1000倍；G2为与管中心轴方向垂直截面，放大3000倍；H1为沿管中心轴方向截面，放大1000倍；H2为沿管中心轴方向截面，放大3000倍；

图8为发酵3～7天制备的细菌纤维素管沿管中心轴方向测试的绝对拉力和相对湿重拉力随时间变化的曲线图；

图9为发酵3～7天制备的细菌纤维素管沿与管中心轴垂直方向测试的绝对拉力和相对湿重拉力随时间变化的曲线图；

图10为发酵7天制备的细菌纤维素管沿管中心轴方向测试的绝对拉力应变曲线图；

图11为发酵7天制备的细菌纤维素管沿与管中心轴垂直方向测试的绝对拉力应变曲线图；

图12为实施例5中发酵3～7天制备的管状细菌纤维素沿中心轴两端方向的绝对拉力和相对干重拉力随时间变化的曲线图；

图13为实施例5中发酵3～7天制备的管状细菌纤维素沿与中心轴垂直方向的绝对拉力和相对干重拉力随时间变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

以管状BC材料的制备为例

实施例1

如图1，图2，图3，图4所示，一种制备中空异形细菌纤维素材料的装置，闭容器1，第二管状部件2，第一管状部件4和圆柱空心塞5，第一管状部件4与第二管状部件2同轴套于第二管状部件2管腔内，第二管状部件2的开口处通过圆柱空心塞5与第一管状部件4密封，第一管状部件4与第二管状部件2的间隙为倒入发酵培养基的空间3。

第一管状部件4和第二管状部件2为圆柱状，或多岔管状，或手形中空状。第二管状部件2和第一管状部件4的横截面形状为圆形、方形、椭圆形、三角形、心形、五角星形。倒入发酵培养基的空间3、第二管状部件2和圆柱空心塞5皆位于密闭容器1内。

第一管状部件4和第二管状部件2的材料均为具有透气但不透水性能的材料，其中，具有透气但不透水性能的材料选自硅胶、陶瓷、纸、玻璃纸、无纺布、紫砂、尼龙、奥纶、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚乙烯乙醇、涤纶、特氟纶、膨体聚四氟乙烯、真丝、尼龙纤维、涤纶纤维、丙纶纤维、再生纤维素纤维、GERO-TEX、EVENT、ADVANCE-TEX、TEXAPROE、DENTIKS、KING-TEX中的一种或几种组合。

将两种形状相同、尺寸或内外径不同，但具有透气但不透水性能的模具材料，轴对称地固定在一起，向两种模具的间隙中注入含生产菌株的液体培养基，并确保不漏液，然后向第一管状部件4注入氧气或空气，并将整个发酵装置放入充满氧气或空气的环境中进行发酵培养，细菌纤维素产生菌便会在第二管状部件2的内表面和第一管状部件4的外表面上分别合成纤维素，并最终形成一个具备模具形状的细菌纤维素整体材料。

实施例2

(1)菌种培养

木醋杆菌(Acetobacter xylinum)ATCC23770按2～3接种环的接种量接入液体种子培养基，于30℃、160r/min条件下摇床培养12h后备用；

其中，种子培养基的组分为：甘露醇、葡萄糖、麦芽糖、蔗糖或果糖25g、蛋白胨或胰蛋白胨3g、酵母浸膏5g，水1L，pH5.0，121℃灭菌20min；

(2)管状BC材料的发酵制备

将两根外径、厚度和长度均不同的但具有透气性能的硅胶管材料，轴对称的固定在一起，其中一根外管的外径为9mm、厚度为0.5mm，长度为6cm(第二管状部件)，另一根内管的外径为3mm、厚度为0.5mm，长度为8cm(第一管状部件，如图1装置)，管状材料间隙(即倒入发酵培养基的空间3)中注入1.5mL含生产菌的液体种子或者发酵培养基，并保证不漏液，然后向内管(第一管状部件4)中通入氧气，并将整个发酵装置放入充满氧气的密闭环境中，于30℃进行静态发酵培养7天，纤维素产生菌便会分别在外管的内表面和内管的外表面合成细菌纤维素，并最终生长到一起成为一根细菌纤维素管；

(3)管状材料处理

将制备的管状BC材料，然后浸泡于0.5wt％的NaOH溶液中，80℃水浴处理120min，使BC管状材料白色半透明后即可，然后用纯水反复洗涤至中性，冷藏后，即得异形细菌纤维素产品，实物图见图5。

实施例3

(1)菌种培养

红茶菌(kombucha)按1-10片直径0.5cm圆片菌膜的接种量接入液体种子培养基，于30℃、160r/min条件下摇床培养或者静置培养12-24h后；再按1～10片直径0.5-1em圆片含菌BC膜的接种量转接至液体发酵培养基，于30℃、160r/min条件下摇床培养或者静置培养12-24h后备用；

其中，液体种子培养基和发酵培养基的配制：将1L水煮沸，加入绿茶或者红茶1-10g(茶叶5g时最优)，浸泡20min后滤去茶叶渣得到茶汤，然后加入葡萄糖、蔗糖或者果糖 25-100g、蛋白胨或者胰蛋白胨3g、酵母浸膏5g，pH5.0-6.0，巴氏灭菌30min；

(2)管状BC材料的发酵制备

将两根外径、厚度和长度均不同的但具有透气性能的管状材料，轴对称的固定在一起，其中一根外管的外径为9mm、厚度为0.5mm，长度为6cm(第二管状部件)，另一根内管的外径为3mm、厚度为0.5mm，长度为8cm(第一管状部件，如图2装置)，管状材料间隙(即倒入发酵培养基的空间3)中注入1.5ml含生产菌的液体种子培养基或者含生产菌的液体发酵培养基，并保证不漏液，然后向内管(第一管状部件4)中通入氧气，并将整个发酵装置放入充满氧气的密闭环境中，于32℃进行静态发酵培养3～7天，纤维素产生菌便会分别在外管的内表面和内管的外表面合成细菌纤维素，并最终生长到一起成为一根细菌纤维素管；

(3)管状材料处理

将制备的管状BC材料，然后浸泡于1wt％的NaOH溶液中，80℃水浴处理120min，使BC管状材料白色半透明后即可，用纯水反复洗涤至中性，即得，截取实物中的一小段与图5类似。

(4)场发射扫描电镜测试

将处理过的培养时间分别为4天和7天的管状BC材料，冷冻干燥后进行场发射扫描电镜测试，电镜照片见图6和图7。

结果表明，细菌纤维素分别在外层透气硅胶管模具的内表面和内层透气硅胶管模具的外表面形成，并且随着培养时间的延长，厚度不断增加，最终两层细菌纤维素交织在一起，形成一个整体的管状细菌纤维素材料。由于从两个方向合成BC，缩短了发酵周期，提高了生产效率。用本方法制备的管状BC材料相对于其它方法，具有以下特点：BC管材料内外表面光滑平整，纤维粗细和分布均匀，纳米纤维网络结构匀称，并具有一定的纤维导向。

(5)沿管中心轴方向的拉力(轴向拉力)测试

将处理过的管状BC材料切成4cm长的BC管后，使用万能材料测试仪夹住BC管的两端，沿着中心轴两端的方向进行拉力测试，其拉力测试结果见图8。

结果表明，随着培养时间延长，管状细菌纤维素材料的轴向绝对拉力呈上升趋势，其轴向相对湿重拉力也是呈上升趋势的。其原因主要是，培养时间越长，菌体合成的 纤维素越多，网状结构越致密，因此其力学性能也就越好，同时，其绝对拉力的增强速度大于湿重的增加速度，因此其相对湿重拉力也就呈现递增的趋势。

(6)与管中心轴垂直方向的拉力(径向拉力)测试

将处理过的管状BC材料切成4cm长的BC管后，套在两根直径约1mm的钢丝外面，并将钢丝分别拧成两个大U型，使用万能材料测试仪分别夹住两根U型钢丝的两端，沿着与管状材料中心轴垂直的方向进行拉力测试，其拉力测试结果见图9。

结果表明随着培养时间越长，制备的管状细菌纤维素材料的径向绝对拉力是呈上升趋势的，但是其径向相对湿重拉力则呈下降趋势。其原因主要是，随着培养时间延长，管状材料的径向绝对拉力的增加速率小于其湿重增大的速率，因此其相对值呈下降趋势。

(7)轴向应变拉力测试

将培养时间为7d的处理过的管状BC材料切成4cm长的BC管后，使用万能材料测试仪夹住材料的两端，沿着中心轴两端的方向进行应变拉力测试，其轴向拉力应变曲线见图10。

结果表明，制备的BC管状材料沿中心轴两端方向的绝对拉力与其形变之间存在某种变化关系，当其绝对拉力逐渐增大时，其形变长度也逐渐增大，当绝对拉力达到最大值约2.5N时，材料形变长度约7.2mm并发生断裂，随后绝对拉力逐渐减小，直至材料彻底断裂。

(8)径向应变拉力测试

将培养时间为7d的处理过的管状BC材料切成4cm长的BC管后，使用万能材料测试仪进行应变拉力测试，其径向拉力应变曲线见图11。

结果表明，制备的BC管状材料沿着与中心轴垂直方向的绝对拉力与其形变之间存在某种变化关系，当其绝对拉力逐渐增大时，其形变长度也逐渐增大，当绝对拉力达到最大值约1.5N时，材料形变长度约5.8mm并发生断裂，随后绝对拉力逐渐减小，直至材料彻底断裂。

实施例4

(1)菌种培养

木葡糖酸醋杆菌(Gluconacetobacter xylinum)按2～3接种环的接种量接入液体种子培养基，于30℃、160r/min条件下摇床培养12h后备用；

其中，种子培养基的组分为：甘露醇、葡萄糖、麦芽糖、蔗糖或果糖200g，酵母浸膏5g，蛋白胨或胰蛋白胨5g，柠檬酸115g，Na₂HPO₄2.7g，水1L，pH7.0，121℃灭菌20min。

(2)管状BC材料的发酵制备

将两闭根外径、厚度和长度均不同的但具有透气性能的陶瓷管材料，轴对称的固定在一起，其中一根外管的外径为10mm、厚度为0.5mm，长度为6cm(第二管状部件)，另一根内管的外径为4mm、厚度为0.5mm，长度为8cm(第一管状部件，如图3装置)，陶瓷管材料间隙(即倒入发酵培养基的空间3)中注入2mL含生产菌的液体培养基，并保证不漏液，然后向内管(第一管状部件4)中通入氧气，并将整个发酵装置放入充满氧气的密闭环境中，于20℃进行静态发酵培养9～20天，纤维素产生菌便会分别在外管的内表面和内管的外表面合成细菌纤维素，并最终生长到一起成为一根细菌纤维素管；

(3)管状材料处理

将制备的管状BC材料，然后浸泡于1wt％的NaOH溶液中，90℃水浴处理120min，使BC管状材料白色半透明，先含0.5mol/L的醋酸的水溶液洗涤4～5次，再用纯水反复洗涤至中性，然后冷冻干燥，即得异形细菌纤维素产品，截取实物中的一小段与图5类似。

实施例5

(1)菌种培养

氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacter oxydans)按2～3接种环的接种量接入液体种子培养基，于30℃、160r/min条件下摇床培养12h后备用；

其中，种子培养基的组分为：甘露醇、葡萄糖、麦芽糖、蔗糖或果糖25g、蛋白胨或胰蛋白胨3g、酵母浸膏5g，水1L，pH4.0，121℃灭菌20min；

(2)管状BC材料的发酵制备

将两根外径、厚度和长度均不同的但具有透气性能的尼龙管材料，以手形中空的 形状轴对称的固定在一起，其中每一根手指形尼龙管的外径为26mm、厚度为0.5mm，长度为70-80mm(第二管状部件)，另一种手指形尼龙管的外径为20mm、厚度为0.5mm，长度为160-220mm(第一管状部件)，手掌形尼龙管的外径为86mm、厚度为0.5mm，长度为100mm(第二管状部件)，另一种手掌形尼龙管的外径为80mm、厚度为0.5mm，长度为150mm(第一管状部件，如图4装置)，尼龙管材料间隙(3)中注入1.5mL种子液培养基，并保证不漏液，然后向内管(第一管状部件4)中通入氧气，并将整个发酵装置放入充满氧气的环境中，于25℃进行静态发酵培养7～15天，纤维素产生菌便会分别在外管的内表面和内管的外表面合成细菌纤维素，并最终生长到一起成为一根细菌纤维素管；

(3)管状材料处理

将制备的管状BC材料，然后浸泡于1wt％的NaOH溶液中，80℃水浴处理120min，使BC管状材料白色半透明后，先用含0.5mol/L的醋酸的水溶液洗涤4～5次，再用纯水反复洗涤至中性，然后烘干，即得异形细菌纤维素产品，截取实物中的一小段与图5类似。

实施例6

(1)菌种培养

红茶菌(kombucha)按1-10片直径0.5cm圆片菌膜的接种量接入液体种子培养基，于30℃、160r/min条件下摇床培养12h后备用；

其中，液体种子培养基的配制：将1L水煮沸，加入绿茶或者红茶，浸泡20min后滤去茶叶渣得到茶汤，然后加入葡萄糖、蔗糖或者果糖，其中糖、茶、水的质量比为5∶0.1-0.4∶100-200，pH5.0-6.0，巴氏灭菌30min；

(2)管状BC材料的发酵制备

将两种具手套形状，尺寸、厚度和长度均不同的但具有透气性能的KING-TEX材料，以手形中空的形状轴对称的固定在一起，其中外部手套的每一根手指形管的外径为26mm、厚度为0.5mm，长度为70-80mm(第二管状部件)，内部手套的每一种手指形管的外径为20mm、厚度为0.5mm，长度为160-220mm(第一管状部件)，外部手掌形管的外径为86mm、厚度为0.5mm，长度为100mm(第二管状部件)，内部手掌形尼龙管的外径为80mm、厚度为0.5mm，长度为150mm(第一管状部件，如图4装置)，KING-TEX手套管材料间隙(即倒入发酵培养基的空间3)中注入1.5mL 种子液培养基，并保证不漏液，然后向内部手套管中(即第一管状部件4)通入氧气，并将整个发酵装置放入充满氧气的密闭环境中，于25℃进行静态发酵培养10～20天，纤维素产生菌便会分别在外手套管的内表面和内手套管的外表面合成细菌纤维素，并最终生长到一起成为一种手套形细菌纤维素材料；

(3)材料处理

将制备的BC材料取下后，浸泡于1wt％的NaOH溶液中，80℃水浴处理120min，使BC材料白色半透明后，先用含0.5mol/L的醋酸的水溶液洗涤4～5次，再用纯水反复洗涤至中性，然后冷藏，即得异形细菌纤维素产品，截取实物中的手指一小段与图5类似。

实施例7

(1)菌种培养

木醋杆菌(Acetobacter xylinum)按2～3接种环的接种量接入液体种子培养基，于30℃、160r/min条件下摇床培养12h后备用；

其中，种子培养基的组分为：甘露醇、葡萄糖、麦芽糖、蔗糖或果糖25g、蛋白胨或胰蛋白胨3g、酵母浸膏5g，水1L，pH4.0，121℃灭菌20min；

(2)管状BC材料的发酵制备

将两根外径、厚度和长度均不同的但具有透气性能的膨体聚四氟乙烯管材料，轴对称的固定在一起，其中一根外管的外径为9mm、厚度为0.5mm，长度为6cm(第二管状部件)，另一根内管的外径为3mm、厚度为0.5mm，长度为8cm(第一管状部件，如图3装置)，两管间隙(即倒入发酵培养基的空间3)中注入1.5ml种子液培养基，并保证不漏液，然后向内管(即第一管状部件4)中通入氧气，并将整个发酵装置放入充满氧气的环境中，于30℃进行静态发酵培养7天，纤维素产生菌便会分别在外管的内表面和内管的外表面合成细菌纤维素，并最终生长到一起成为一根细菌纤维素管；

(3)管状材料处理

将制备的管状BC材料，然后浸泡于1wt％的NaOH溶液中，80℃水浴处理120min，使BC管状材料白色半透明后即可，先含10mol/L的醋酸的水溶液洗涤2～3次，再用纯水反复洗涤至中性，然后风干，即得异形细菌纤维素产品，截取实物中的一小段与图5类似。

(4)轴向拉力测试

将处理过的管状BC材料切成4cm长的BC管后，使用万能材料测试仪夹住材料的两端，沿着中心轴两端的方向进行拉力测试，其拉力测试结果见图12。

结果表明，随着培养时间延长，管状细菌纤维素材料轴向绝对拉力呈上升趋势，但是其相对干重拉力则呈下降趋势。其原因主要是，培养时间越长，菌体合成的纤维素越多，网状结构越致密，因此其力学性能也就越好，同时，其绝对拉力的增强速度小于干重的增加速度，因此其相对干重拉力也就呈现递减的趋势。

(5)径向拉力测试

将处理过的管状BC材料切成4cm长的BC管后，套在两根直径约1mm的钢丝外面，并将钢丝分别拧成两个大U型，使用万能材料测试仪分别夹住两根U型钢丝的两端，沿着与管状材料中心轴垂直的方向进行拉力测试，其拉力测试结果见图13。

结果表明，随着培养时间延长，管状细菌纤维素材料径向绝对拉力是呈上升趋势的，但是其相对干重拉力则呈下降趋势。其原因主要是，随着培养时间的延长，管状材料的绝对拉力的增加速率小于其干重的增长速率，因此其相对值呈下降趋势。

实施例8

(1)菌种培养

红茶菌(kombucha)按1-10片直径0.5cm圆片菌膜的接种量接入液体种子培养基，于30℃、160r/min条件下摇床培养12h后备用；

其中，液体种子培养基的配制：将1L水煮沸，加入绿茶或者红茶，浸泡20min后滤去茶叶渣得到茶汤，然后加入葡萄糖、蔗糖或者果糖，其中糖、茶、水的质量比为5∶0.1-0.4∶100-200，pH5.0-6.0，巴氏灭菌30min；

(2)管状BC材料的发酵制备

将两根外径、厚度和长度均不同的但具有透气性能的GERO-TEX管状材料，轴对称的固定在一起，其中一根外径为9mm、厚度为0.5mm，长度为6cm(第二管状部件)，另一根外径为3mm、厚度为0.5mm，长度为8cm(第一管状部件，如图2装置)，管状材料间隙(即倒入发酵培养基的空间3)中注入1.5ml含菌膜的种子液培养基，并保证不漏液，然后向内管(第一管状部件4)中通入氧气，并将整个发酵装置 放入充满氧气的密闭环境中，于28℃进行静态发酵培养3～7天，纤维素产生菌便会分别在外管的内表面和内管的外表面合成细菌纤维素，并最终生长到一起成为一根细菌纤维素管；

(3)管状材料处理

将制备的管状BC材料，然后浸泡于1wt％的NaOH溶液中，80℃水浴处理120min，使BC管状材料白色半透明后即可，用纯水反复洗涤至中性，然后烘干，即得异形细菌纤维素产品，截取实物中的一小段与图5类似。

Claims (11)

1.一种制备中空异形细菌纤维素材料的装置，包括密闭容器(1)，第二管状部件(2)，第一管状部件(4)和圆柱空心塞(5)，其特征在于：所述第一管状部件(4)与第二管状部件(2)同轴套于第二管状部件(2)管腔内，第二管状部件(2)的开口处通过圆柱空心塞(5)与第一管状部件(4)密封，第一管状部件(4)与第二管状部件(2)的间隙为倒入发酵培养基的空间(3)。

2.根据权利要求1所述的一种制备中空异形细菌纤维素材料的装置，其特征在于：所述的第一管状部件(4)和第二管状部件(2)为圆柱状，或多岔管状，或手形中空状。

3.根据权利要求1所述的一种制备中空异形细菌纤维素材料的装置，其特征在于：所述的第二管状部件(2)和第一管状部件(4)的横截面形状为圆形、方形、椭圆形、三角形、心形、五角星形。

4.根据权利要求1所述的一种制备中空异形细菌纤维素材料的装置，其特征在于：所述的倒入发酵培养基的空间(3)、第二管状部件(2)和圆柱空心塞(5)皆位于密闭容器(1)内。

5.根据权利要求1所述的一种制备中空异形细菌纤维素材料的装置，其特征在于：所述的第一管状部件(4)和第二管状部件(2)的材料均为具有透气但不透水性能的材料。

6.根据权利要求5所述的一种制备中空异形细菌纤维素材料的装置，其特征在于：所述的具有透气但不透水性能的材料选自硅胶、陶瓷、纸、玻璃纸、无纺布、紫砂、尼龙、奥纶、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚乙烯乙醇、涤纶、特氟纶、膨体聚四氟乙烯、真丝、尼龙纤维、涤纶纤维、丙纶纤维、再生纤维素纤维、GERO-TEX、EVENT、ADVANCE-TEX、TEXAPROE、DENTIKS、KING-TEX中的一种或几种组合。

7.一种制备中空异形细菌纤维素材料的方法，包括：

(1)菌种培养

将细菌纤维素生产菌株接入液体培养基扩培，于20-30℃、100-250r/min条件下摇床培养或者静置培养12～48h后备用；

(2)中空异形细菌纤维素材料的发酵制备

向上述装置的空间(3)中，注满步骤(1)制备的含生产菌株的液体培养基，并确保不漏液，然后向第一管状部件(4)内注入氧气或空气，并将整个发酵装置放入充满氧气或空气的环境中，于20～32℃进行发酵培养4-20天，细菌纤维素产生菌便会在外第二管状部件(2)的内表面和第一管状部件(4)的外表面上分别合成纤维素，并最终形成一个具备模具形状的细菌纤维素整体材料；

(3)材料处理

将制备的中空异形细菌纤维素材料从模具上取下，然后浸泡于0.5～2wt％的NaOH溶液中，70-100℃水浴处理30-120min，使细菌纤维素材料呈白色半透明后即可，洗涤至中性，即得异形细菌纤维素产品。

8.根据权利要求7所述的一种制备中空异形细菌纤维素材料的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的BC生产菌株为醋酸菌属(Acetobacter sp.)、葡萄糖酸杆菌属(Gluconobactersp.)、葡糖酸醋杆菌属(Gluconacetobacter sp.)、根瘤菌属(Rhizobium sp.)、八叠球菌属(Sarcina sp.)、假单胞菌属(Pseudomounas sp.)、无色杆菌属(Achromobacter sp.)、产碱菌属(Alcaligenes sp.)、气杆菌属(Aerobacter sp.)、固氮菌属(Azotobacter sp.)、土壤杆菌属(Agrobacterium sp.)、洋葱假单胞菌(Seudomonas cepacia)、空肠弯曲菌(Campylobacterjejuni)或红茶菌(kombucha)；其中优选菌株为木醋杆菌(Acetobacter xylinum)或红茶菌。

9.根据权利要求8所述的一种制备中空异形细菌纤维素材料的方法，其特征在于：除红茶菌以外的菌种按2～3接种环的接种量接入液体种子培养基；红茶菌按接入1-10片直径0.5cm圆片含菌BC膜的接种量接入液体种子培养基；

或者先制备生产菌的液体种子，再转接入液体发酵培养基，具体步骤如下：

除红茶菌以外的菌种按2～3接种环的接种量接入液体种子培养基制备种子液，然后按3vol％～20vol％的接种量转接到液体发酵培养基；红茶菌按接入1-10片直径0.5cm圆片含菌BC膜的接种量接入液体种子培养基，以及按1～10片直径0.5-1cm圆片含菌BC膜的接种量转接到液体发酵培养基。

10.根据权利要求9所述的一种制备中空异形细菌纤维素材料的方法，其特征在于：所述的除了红茶菌以外的液体种子培养基和液体发酵培养基的组分均为：每1L水中，甘露醇、葡萄糖、麦芽糖、蔗糖或果糖20-200g、蛋白胨或胰蛋白胨3g、酵母浸膏5g，pH3.0-7.5，121℃灭菌20min；或甘露醇、葡萄糖、蔗糖或果糖20-200g，酵母浸膏5g，蛋白胨或胰蛋白胨5g，柠檬酸115g，Na₂HPO₄2.7g，水1L，pH3.0-7.5，121℃灭菌20min；

红茶菌液体种子培养基和液体发酵培养基，其组成均为：(1)每1L水中，绿茶或者红茶1-10g，葡萄糖、蔗糖或者果糖10～200g、蛋白胨或者胰蛋白胨3g、酵母浸膏5g，pH3.0-7.5，巴氏灭菌30min；(2)将葡萄糖、蔗糖或果糖、绿茶或红茶、以及水配成培养基，其中糖、茶、水的质量比为5∶0.1-0.4∶100-200，pH3.0-7.5，巴氏灭菌30min；或者(3)每1L水中，甘露醇、葡萄糖、蔗糖或果糖20-200g、蛋白胨或胰蛋白胨3g、酵母浸膏5g，pH3.0-7.5，121℃灭菌20min。

11.根据权利要求7所述的一种制备中空异形细菌纤维素材料的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的含生产菌株的液体培养基为步骤(1)制备的含生产菌株的液体种子培养基或含生产菌株的液体发酵培养基。

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