CN201809342U - 动态制备异型空腔细菌纤维素材料的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种动态制备异型空腔细菌纤维素材料的装置，包括温度计口，酸液碱液添加口，把手，通气口，pH计口，营养补料口，转轴，发酵罐，马达，水浴装置，模具，所述的转轴一端连接固定马达输出轴，转轴另一端从发酵罐一端面中心位置伸入发酵罐内；在发酵罐内的转轴上固定有模具。该装置通过模具或者转盘上模具围绕着转轴轴心的转动，使得模具缠绕发酵液中的细菌纤维素而在模具表面形成一定形状的中空细菌纤维素材料。本实用新型装置简便，成本低廉，生产效率高，适合大规模工业化生产。

Description

动态制备异型空腔细菌纤维素材料的装置

技术领域

本实用新型属生物材料生产设备领域，特别是涉及一种动态制备异型空腔细菌纤维素材料的装置。

背景技术

细菌纤维素(Bacterial Cellulose，简称BC)是一类由微生物产生的纯纤维素。细菌纤维素和植物纤维一样都是由β-D-葡萄糖通过β-1，4-葡萄糖苷键结合成的直链，直链间彼此平行，不呈螺旋构象，无分支结构，又称为β-1，4-葡聚糖。细菌纤维素由于具有独特的生物亲和性、生物相容性和无过敏反应，以及高的持水性、聚合度、结晶度，良好的三维纳米纤维网络结构、高的张力和强度，尤其是良好的机械韧性，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。

目前细菌纤维素材料的制备一股采用常规静置培养法，获得的是一张纤维素膜。用常规液体深层桨叶垂直搅拌技术会引起木醋杆菌的变异退化，导致其不再合成纤维素，而目前常用的较少引起菌种退化的动态发酵技术(在气升式发酵罐中)仅能制备颗粒状的细菌纤维素材料，由于纤维素可溶于某些化学试剂，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。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。

首次利用该原理成功制备有形状的细菌纤维素产品是一个手套形状的人工皮肤(UK Patent 12,169,543；White and Brown，1989)。该技术是利用能透氧气的手形微型织造物(microwoven textiles)作为模具，静态条件下培养。1990和1991年日本人Yamanaka根据同样的原理，利用一个能透氧的空腔圆管，如玻璃纸、特富龙、硅胶、陶瓷等制作的模具，通过注入含活细菌的培养液在静态发酵条件下制备人工血管获得了成功(EP Patent0,396,344；JP Patent 3,272,772)。他以成年杂种狗为实验对象，将制备好的BC管材料植入到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和2003年德国Klemm等人将一个内部是玻璃圆柱而外部是玻璃圆管组成的模具浸入细菌培养液中，通过静态发酵制备成功小直径人工血管(1～3mm内径)(商品名为BASYC)，并经老鼠动物实验证明该人工血管抗血栓效果很好(WO Patent 0,161,026，US Patent 2,003,013,163)。大白鼠没有经任何抗凝药物处理，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。由此可见，中空细菌纤维素管是制备＜6mm人工血管的良好材料。此外，该空腔纤维管还可以作为气管、输尿管、软骨支架、覆盖神经纤维的护套，以及某些空腔器官的替代物等(WO Patent 0,161,026；US Patent 2,003,013,163)。2005年美国和瑞典国际合作小组的Svensson等人报道了以细菌纤维素作为软骨组织工程支架的实验结果，并指出效果较好。2006年Backdahl等人通过研究细菌纤维素的机械性能以及与人平滑肌细胞的相互作用指出该材料今后可以用于组织工程血管。以上研究证明了凝胶状的管状BC材料以其高的机械强度、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血管组织替代物具有巨大的应用前景。

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。首次利用能透氧的手形微型织造物为模具静态培养成功制备的手套形状的人工皮肤在治疗大面积烧伤/烫伤的手部皮肤时具有良好效果。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。

但现有的生产设备成本较高且生产效率不高。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种动态制备异型空腔细菌纤维素材料的装置，以提高生产效率，促进工业化生产。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种动态制备异型空腔细菌纤维素材料的装置，一种动态制备异型空腔细菌纤维素材料的装置，包括温度计口，酸液碱液添加口，把手，通气口，pH计口，营养补料口，转轴，发酵罐，马达，水浴装置，模具，其特征是：所述的转轴一端连接固定马达输出轴，转轴另一端从发酵罐一端面中心位置伸入发酵罐内；在发酵罐内的转轴上固定有模具。

所述的转轴在发酵罐内腔安装固定有转盘，转轴通过转盘圆周边缘对称固定有2个以上模具。

所述的模具为棍形或手套形模具。

所述的模具为手套形模具，其中，手套形模为依次在转轴上穿入2个以上手套形模具。所述模具的横截面形状为圆形、方形、椭圆形、三角形、心形或五角星形。

所述的模具为实心或者中空结构。

所述的温度计口、酸液碱液添加口、pH计口、营养补料口、通气口、把手均位于发酵罐的外表面上。

所述的发酵罐为任意形状。

所述的模具的材料为玻璃、陶瓷、紫砂、金属、硅胶、木材、纤维素、橡胶、涤纶、尼龙(Nylon)、奥纶(Orlon)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯乙醇(Ivalon)、涤纶(Dacron)、特氟纶(Teflon)、膨体聚四氟乙烯(ePTFE)和真丝等高分子材料以及塑料等无机有机材料的一种或几种组合。

本实用新型的装置由一个水平搅拌反应器和固定模具(或者在转盘上固定若干模具)的转轴组成，形成了一个水平扰动的生物反应器；通过模具或者转盘上模具围绕着转轴轴心的转动，使得模具缠绕发酵液中的细菌纤维素而在模具表面形成一定形状的中空细菌纤维素材料。

有益效果

本实用新型优点如下：

(1)制备的管状或手形等中空异形BC材料相较于其他物理化学的方法，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；且制备装置简便，成本低廉，生产效率高，适合大规模工业化生产。

(2)目前已有的BC中空异形材料的制备技术一股采用单层透氧模具制备，效率低且外表面或者内表面粗糙，本实用新型利用细菌纤维素在液体中易缠绕的特性，在水平扰动的生物反应器中，通过转盘上模具围绕着转轴轴心的转动，使得模具在液体培养基中进行缓慢且循环浸没的扰动培养方式，缠绕和吸附发酵液中的细菌纤维素而在模具表面形成一定形状的中空细菌纤维素材料。

(3)由于是亚静态培养(转轴的转速很缓慢，＜20rpm，菌体在亚静态的环境下生长)，可以使模具在液体培养基和含氧介质中不停地交替，既给液体培养基提供足够的溶解氧，促进液体中菌体的快速繁殖和产生纤维素，从而利于模具的缠绕；又有利于已固定在模具上的纤维素膜中的菌体可以接触到营养，同时使得菌体充分接触氧，从而促使菌体大量繁殖和分泌纤维素，高效制备细菌纤维素材料。多种因素促使生产效率大大提升。

(4)本实用新型制备的管状或手形等中空异形BC材料的长度、内径、厚度等尺寸和形状均不受限制，可以人工调控，而且材料内外均具有光滑平整的表面。

(5)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。

(6)为了进一步提高异形BC材料的制备效率，在水平生物反应器中可配备多个模具以提高产量。

附图说明

图1为制备管状细菌纤维素材料的发酵装置示意图。

图2为制备手形细菌纤维素材料的发酵装置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，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。

实施例1

如图1所示，一种动态制备异型空腔细菌纤维素材料的装置，一种简便高效动态生产异型空腔细菌纤维素材料的发酵装置，包括温度计口1，酸液碱液添加口2，把手3，通气口4，pH计口5，营养补料口6，转轴8，发酵罐9，马达10，水浴装置11，模具，其特征是：所述的转轴8一端连接固定马达10输出轴，转轴8另一端从发酵罐9一端面中心位置伸入发酵罐9内；在发酵罐9内的转轴8上固定有模具。

模具12的材料选自玻璃、陶瓷、紫砂、金属、硅胶、木材、纤维素、橡胶、涤纶、尼龙、奥纶、聚乙烯醇、聚乙烯乙醇、涤纶、特氟纶、膨体聚四氟乙烯、真丝、塑料中的一种或几种组合。

转轴8在发酵罐9内腔靠近发酵罐9一端面一侧安装固定有转盘7，转轴8通过转盘7圆周边缘对称固定有棍形管形模具12，且棍形管形模具12为实心或中空结构。

温度计口1、酸液碱液添加口2、pH计口5、营养补料口6、通气口4、把手3均位于发酵罐9的外表面上。

棍形管形模具12的横截面形状为圆形、方形、椭圆形、三角形、心形或五角星形。

使用时，通过将含生产菌株的液体培养基转移到本实用新型的发酵装置中，然后旋转模具以3-20rpm的转速进行扰动培养，即可收获空腔异形纤维素材料。

实施例2

如图2所示，本实施例与实施例1的区别仅在于：

(1)模具的形状不同，本实施例中模具为手套形模具12，且手套形模具12为实心或中空结构，手套形模具12的横截面形状为圆形、方形、椭圆形、三角形、心形或五角星形；

(2)本实施例的装置中不需要转盘对手套形模具进行固定，只需在转轴上依次穿入1个以上手套形模具即可。

实施例3

本实施例与实施例1的区别仅在于：

模具的形状不同，本实施例中模具为手套形模具12，且转轴8通过转盘7圆周边缘对称固定有2个以上手套形模具；手套形模具12为实心或中空结构，手套形模具12的横截面形状为圆形、方形、椭圆形、三角形、心形或五角星形。

Claims (8)

1.一种动态制备异型空腔细菌纤维素材料的装置，包括温度计口(1)，酸液碱液添加口(2)，把手(3)，通气口(4)，pH计口(5)，营养补料口(6)，转轴(8)，发酵罐(9)，马达(10)，水浴装置(11)，模具(12)，其特征是：所述的转轴(8)一端连接固定马达(10)输出轴，转轴(8)另一端从发酵罐(9)一端面中心位置伸入发酵罐(9)内；在发酵罐(9)内的转轴(8)上固定有模具。

2.根据权利要求1所述的一种动态制备异型空腔细菌纤维素材料的装置，其特征是：所述的转轴(8)在发酵罐(9)内腔安装固定有转盘(7)，转轴(8)通过转盘(7)圆周边缘对称固定有2个以上模具(12)。

3.根据权利要求2所述的一种动态制备异型空腔细菌纤维素材料的装置，其特征是：所述的模具(12)为棍形或手套形模具。

4.根据权利要求1所述的一种动态制备异型空腔细菌纤维素材料的装置，其特征是：所述的模具(12)为手套形模具，其中手套形模具为依次在转轴(8)上穿入1个以上手套形模具。

5.根据权利要求1所述的一种动态制备异型空腔细菌纤维素材料的装置，其特征是：所述模具(12)的横截面形状为圆形、方形、椭圆形、三角形、心形或五角星形。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种动态制备异型空腔细菌纤维素材料的装置，其特征是：所述的模具(12)为实心或者中空结构。

7.根据权利要求1所述的一种动态制备异型空腔细菌纤维素材料的装置，其特征是：所述的温度计口(1)、酸液碱液添加口(2)、pH计口(5)、营养补料口(6)、通气口(4)、把手(3)均位于发酵罐(9)的外表面上。

8.根据权利要求1所述的一种动态制备异型空腔细菌纤维素材料的装置，其特征在于：所述的发酵罐(9)为任意形状。 

Images