TWI408232B - 生物纖維膜及其使用 - Google Patents
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Description
本發明關於一種生物纖維膜，特別是在膜厚方向具有密度梯度的生物纖維膜。
微生物產出之纖維素(cellulose),又稱為微生物纖維素(Bacterial cellulose,BC)或是生物纖維素(Biocellulose)，為β-1,4糖苷鍵結(β-1,4 glucosidic bonds)，具有高純度、高含水力、延展性佳及良好的機械強度等特性。生產微生物纖維素的菌種包括木質醋酸菌(Acetobacter xylinum
)。生成的纖維素通常形成纖維狀，以非織造(nonwoven)的方式，在培養基的表面形成網狀結構(reticular structure)的膜。生物纖維的直徑只有植物纖維的1/100，約2-100 nm左右，但化學結構上與植物纖維相同。由於生物纖維具有的獨特物理性質，故其應用範圍非常廣泛，包含生醫材料(EP1438975、EP0396344及WO0161026)、電子材料(US2008220333)、音響(EP0457474、US5274199及JP6284495)、特殊用紙及化妝品(JP10077302、JP9183803及FR2924342)等。作為醫材上，生物纖維膜被視為最佳的皮膚替代物之一，可以減少疼痛、吸收傷口所分泌的膿瘡、提供傷口適當水份，縮短癒合時間與改善癒合效果等，並擁有絕佳的生物相容性與安全性。嬌生公司(Johnson & Johnson Product Inc. NJ)在US 4588400中揭露以生物纖維膜用於傷口及燒燙傷的敷料，生物纖維膜可添加藥劑使用。
WO86/02095揭露以木質醋酸菌(Acetobacter xylinum
)生產纖維素，使用綠茶(TeaSinensis
)作為氮源，葡萄糖為碳水化合物的來源，在有效溫度約28℃下攪動培養26~96小時，獲得厚度約0.2~3mm的生物纖維膜。經過切割、包裝，作為人造皮膚，用於治療各種皮膚損傷，並以商標銷售。
Xylos公司(Xylos Corporation)也申請多件生物纖維膜的專利應用，包括US 2005/0019380 A1將生物纖維膜用於慢性傷口(chronic wound)的治療與癒合，WO2005018435A2及US 2007/0286884以生物纖維膜作為可植入式的人體軟硬組織的修復或取代，及EP1849463以生物纖維膜作為藥物經皮傳輸的載體。
L’oreal(L’ oreal socitianonyne;FR)近年申請數個生物纖維膜相關的專利，包括FR2924340為應用於手指的保養與化粧、FR2924342為應用於皮膚及嘴唇的照護與化粧、JP 2009051829為生物纖維膜含有粉末狀化妝成份的組合設計、FR2916948為以生物纖維膜為主架構的長效型香水設計及FR2916971為以生物纖維膜為主的貼布用於消除眼袋及減肥用。
對於微生物纖維所具有的獨特物理性質，尚可有多種的應用及開發。
本發明提供一種生物纖維膜，包括由微生物纖維素所形成的微生物纖維，其特徵在於，該微生物纖維的排列在該生物纖維膜的膜厚方向具有密度梯度。
本發明更提供一種生物纖維膜的使用，包括將上述生物纖維膜施於皮膚表面，該生物纖維膜與皮膚接觸的表面為密度較低的表面。
本發明更提供一種用於減少皮膚表面油脂的方法，包括將上述生物纖維膜施於皮膚表面，其中該生物纖維膜與皮膚接觸的表面為密度較低的表面。
本發明更提供上述生物纖維膜之製造方法，其係由生產纖維素之微生物，藉由低的起始微生物濃度，範圍控制在102
~105
個/ml，來醱酵培養取到。
本發明之生物纖維膜，由木質醋酸菌(Gluconacetobacter xylinum
)在裝有液體培養基的培養盤中，進行單片培養，經過醱酵程序(fermentation)產生的纖維素所構成。該纖維素在菌體外形成橫斷面直徑為約30~100nm的微生物纖維。複數個微生物纖維以非織造(nonwoven)的形態在培養基的表面形成網狀結構(reticular structure)，形成半透明的生物纖維膜。
本發明之具梯度密度結構之生物纖維膜的形成，主要是利用接菌量及培養條件的變化來形成生物纖維膜的梯度密度結構。由於靜置培養時，培養液的液面處是培養液與空氣直接接觸，溶氧量較高，可支持微生物的生長及生物纖維的生成，故生物纖維膜的形成多發生在培養液的液面處，所以在培養初期，如果能將醋酸菌濃度降低及/或是降低微生物纖維素的生產速度，即可形成較鬆散柔軟的微生物纖維素的網狀結構；隨後因培養時間增加，微生物的快速增生，使得微生物濃度相對增加；及/或是提高生產微生物纖維素的速度，微生物纖維素的產量也相對增加，以形成網狀結構較為緊密的微生物纖維素，此時微生物纖維密度也漸增高。
如前述，生物纖維膜的形成多發生在培養液的液面處，當微生物生產新的生物纖維時，先前已產生的生物纖維素被往液面下延伸；所以每一片的生物纖維膜與空氣接觸的一面(亦稱為上表面)，為較晚合成的微生物纖維素；而生物纖維膜的另一表面，接近培養盤的底部(亦稱為下表面)，為較深入培養液下層的部分。所以藉由前述的培養條件控制，可形成具梯度密度結構之生物纖維膜，其上表面的微生物纖維所形成的網狀結構較緊密，為微生物纖維密度較高的表面；下表面的網狀結構較鬆散柔軟，為微生物纖維密度較低的表面。
生物纖維膜上下兩面結構的差異性，可在電子顯微下明顯觀察到。由生物纖維膜的電子顯微鏡膜厚方向的切面圖，可清楚看到本發明之生物纖維膜的上表面的微生物纖維密度較高，下表面的微生物纖維密度較低(如第1B圖)。此差異亦可經由手觸摸而察覺。換句話說，本發明之生物纖維膜在膜厚方向上具有密度梯度(density gradient)，該密度梯度由上表面向下表面的方向漸減。
本發明所述之生物纖維膜可由微生物的培養而獲得。此述之微生物包括可生產纖維素的細菌或真菌等，更具體為醋酸菌屬(Gluconacetobacter
)，其中以木質醋酸菌(Gluconacetobacter xylinum
)較為合適。本發明之生物纖維膜之製造方法，係由生產纖維素之微生物，藉由低的起始微生物濃度，範圍控制在102
~105
個/ml，來醱酵培養取到。具體地說，將作為種菌的醋酸菌屬以低的起始濃度培養於適當的培養基中。此述之低的起始濃度包括菌數102
~105
個/ml。所述之培養基的組成，在本發明一實施例中為由葡萄糖、酵母萃取物、磷酸氫二鈉(Na2
HPO4
)及檸檬酸所組成的液態培養基。然而，可使用的培養基組成可依此技術領域熟知之培養技術，根據所欲培養的細菌種類、特性等條件，適當調整。
本發明所述之醱酵培養，除習知的醱酵條件以外，更包括一種兩階段的醱酵培養，來控制醱酵前後期間的生物纖維膜的形成速度。該兩階段的培養包含兩階段培養溫度的靜置培養，包括第一階段在室溫的溫度下進行培養，以及第二階段在高於室溫的溫度下進行培養。更具體地說，第一階段的培養在25~28℃靜置培養48~96小時，第二階段的培養在29~32℃靜置培養48~96小時，但不限於此。本發明所述之兩階段醱酵培養可根據所欲形成的生物纖維膜之膜厚、含水量等因素，適當調整培養條件。
本發明所謂的「膜厚方向」為生物纖維膜在生成時累積形成一個厚度的方向，該膜厚方向與培養基的平面形成垂直。
本發明所謂的「密度梯度」是指，在一個生物纖維膜中，從一表面至另一表面的組成密度呈現逐漸增加或減少的密度變化。例如當生物纖維膜在培養基中形成、未移出培養基時，從生物纖維膜的上表面(遠離培養盤)向下表面(靠近培養盤)移動的方向，微生物纖維的密度逐漸減少。
目前具規模的生物纖維膜量產多在中國與東南亞國家(如越南)，為傳統的培養方式，其係以開放式人工培養混合菌株(mixed culture)，生成大塊狀的生物纖維素塊，再經由切片機切出薄片狀。然而，由塊狀的生物纖維素所切割的纖維素膜，兩表面皆呈現緊密的纖維組成，不具有本發明之疏鬆的纖維結構。換句話說，前述傳統的纖維素膜在膜厚方向不具有密度梯度，而且以切片機切片的厚度較厚，形成的纖維素膜比較厚重，且膜表面容易有刀痕產生。在與人體或動物的皮膚接觸時，前述纖維素膜容易有脫落、無法完全與皮膚密合的問題。再者，由於生物纖維可吸收50-100倍以上的水分，而前述的厚重纖維素膜，不但難以達到含水量呈飽和的狀態，故較不利於生物纖維膜中的活性成份溶液的經皮吸收。
而本發明之新穎生物纖維膜，在膜厚方向具有密度梯度，利用微生物纖維密度低的表面與人體皮膚接觸，使本發明之生物纖維膜與皮膚緊密貼合及有效率地將膜中所含的水分或活性成分有效地傳輸至人體皮膚。本發明更提供一種生物纖維膜的使用，包括將該生物纖維膜敷於人體或動物體的皮膚表面。特別是，將本發明之微生物纖維密度較低的表面與人體或動物體的皮膚接觸，可達到優良的皮膚密合度及有效率的傳輸功效。此述「皮膚」包括人體或動物體之表皮、真皮、皮下組織、指甲、毛髮、皮膚的腺體、或類似之組織。
由於本發明之生物纖維膜在膜厚方向具有密度梯度的特性，本發明人發現以密度較低的表面平鋪於人體或動物體的皮膚上，產生優異的皮膚密合度。這可能是因為密度較低的生物纖維膜表面，曝露出較多的微生物奈米纖維，當其與皮膚接觸時，可與皮膚形成較大的接觸面積。此外，藉由微生物纖維分子上大量的羥基(-OH)，容易與人體或動物體皮膚產生氫鍵，而與皮膚形成良好的密合效果。一實施例中，將本發明之生物纖維膜敷於人體或動物體皮膚表面，經過約15~30分鐘的時間，該生物纖維膜出現該處皮膚的紋理(請見第6A、6B圖)。在一實施例中，將本發明的生物纖維膜敷於人體或動物體的指甲表面。在另一實施例中，將本發明之生物纖維膜貼附於手臂活動關節處，即使手臂激烈活動，該生物纖維膜仍可完整貼附在該處皮膚表面。在另一實施例中，使用本發明的生物纖維膜作為面膜時，使用者可以自由走動，可降低使用傳統敷面膜時無法自由活動的不方便性。
本發明之生物纖維膜可經由控制製程中培養的時間、培養液濃度與體積等條件，來調整生物纖維膜的重量(乾重)。本發明之生物纖維膜的重量(乾重)可控制在5-20g/m2
，相較於傳統方式生產的生物纖維膜重量為30g/m2
以上，本發明之生物纖維膜的重量減輕至少33.3%。由於本發明之生物纖維膜較為柔軟，可經由加工壓縮膜厚度至0.1mm~0.5mm，可提高對皮膚的密合度及服貼性。在後續添加水或其他含有活性成份的溶液時，本發明之生物纖維膜因為重量(乾重)輕、單位面積的微生物纖維素量較少，容易達到含水量為飽和的狀態，可提高生物纖維膜中活性成份的經皮吸收性。
本發明中所謂的「飽和狀態」是指，在常溫一大氣壓下生物纖維膜的含水量達到最大值。本發明之生物纖維膜的含水量，可為該生物纖維膜總重的90%~99%重量百分比。
一實施例中，本發明之生物纖維膜可僅含有水。另一實施例中，本發明之生物纖維膜可含有水或其他活性成份。前述的活性成分沒有特別限制，例如為抗生素(antibiotics)、抗菌劑(antimicrobials)、抗病毒藥物(antivirals)、止血劑(hemostatics)、麻醉劑(anesthetics)、減緩發炎藥物、類固醇、抗組織胺、促進細胞生長藥劑、生長激素(growth factors)、蛋白質(proteins)、核苷酸(nucleotides)、酵素(enzymes)、保濕劑、透明質酸(hyaluroic acid)、抗壞血酸(ascorbic acid)、麴酸(kojic acid)、熊果素(arbutin)、類似的化合物、或這些化合物的組合。熟知該技術領域之人士可根據市場需求，適量添加於生物纖維膜中。
再一實施例中，使用本發明之生物纖維膜於油脂旺盛的皮膚時，由於生物纖維膜與皮膚的良好密合度及服貼性，生物纖維膜的奈米纖維可與皮膚毛孔內的皮脂接觸。當該生物纖維膜的水分被皮膚吸收或揮發至乾後，皮膚毛孔內的皮脂會因虹吸原理被生物纖維膜吸附(請見第7A、7B圖)。因此，本發明之生物纖維膜可移除人體或動物體皮膚表面的多餘皮脂，更可移除皮膚毛孔中多餘的皮脂。在一實施例中，相較於未使用前的皮膚油脂量，使用本發明之生物纖維膜可減少50%~100%的皮膚表面油脂量。
本發明之生物纖維膜在使用上沒有特別限定，可敷於人體或動物體任何部位的皮膚。在一實施例中，將生物纖維膜敷於人體或動物皮膚表面，約15~60分鐘。另一實施例中，將生物纖維膜敷於人體或動物皮膚表面，直到該生物纖維膜呈現變薄、變乾或變透明的狀態。之後將生物纖維膜自皮膚上移除。本發明之一實施例中，使敷於皮膚表面的生物纖維膜濕潤，以利於自皮膚表面移除。此述的「濕潤」包含用水、乳液、或類似的溶液使敷於人體或動物體皮膚上的生物纖維膜潮濕、軟化，容易取下。
本發明之具體實施詳細說明如下，然而以下的實施例僅用於進一步揭露本發明之技術內容，不應藉以限制本案的發明範疇。
配製葡萄糖10-30 g/L、酵母萃取粉5-10g/L的前培養用液態培養基，經滅菌後，接入醋酸菌(Gluconacetobacter xylinus
)，於30℃，通氣培養，培養3-7天後(如第2圖所示之S1)作為種菌用。配製10-30 g/L葡萄糖、5-10g/L酵母萃取粉，2-10 g/L的Na2
HPO4
、1-5 g/L檸檬酸的培養液(121℃滅菌30分鐘)中，接入先前培養之種菌，使其初始的醋酸菌濃度控制在102
~105
個/ml，於A4大小的培養盆中進行靜置培養(如第2圖所示之S2)，初始之培養溫度為25~28℃，2-4天後提高至29~32℃，再培養3-10天後取出生物纖維膜，以0.1%-5%的NaOH清洗、除菌，然後靜置一天。再以清水清洗3~4次，再以檸檬酸中和後(如第2圖所示之S3)，取得微生物纖維膜，以供後續使用。
[實施例2]皮膚表面水份散失試驗
取實施例1的生物纖維膜及市售以切片機切割的生物纖維膜(ChiaMeei Food Industrial Corp.,Taichung,Taiwan)，各切割為5cm直徑圓形膜，浸泡在10%甘油水溶液中(甘油為常用之保濕劑)。然後將實施例1生物纖維膜飽和狀態的上表面(B)及下表面(C)、實施例1生物纖維膜未飽和狀態的上表面(D)、及市售生物纖維膜(E)，敷在人體皮膚30分鐘。取下生物纖維膜，再經過15分鐘後，以CK Electronic多功能皮膚檢測儀，MPA 580型(Cutometer)檢測皮膚表面水份散失。以未敷有任何物質的同處皮膚同樣進行上述步驟，作為控制組(A)。
結果如第3圖所示，以實施例1生物纖維膜飽和狀態的上表面敷於皮膚後，該處皮膚的敷用完後水份散失速率減少36.1%。以實施例1生物纖維膜飽和狀態的下表面處理的皮膚，也具有負值的水分散失率。換句話說，以本發明之生物纖維膜在飽和狀態下，不論上下表面，皆可有效率地將甘油傳輸到皮膚，使得皮膚的保溼能力增強，相對測得的水分散失速率下降。對於以未飽和的實施例1生物纖維及市售的生物纖維膜處理的皮膚，使用前後的水分散失率變化分別為增加14.9%及增加9.4%。此結果顯示未飽和及市售的生物纖維膜將甘油導入皮膚的效率較差，無法有效的降低皮膚表面的水分散失。
[實施例3]皮膚油脂吸附試驗
取5cm直徑圓形的實施例1生物纖維膜加水後的飽和狀態及市售生物纖維膜(ChiaMeei Food Industrial Corp.,Taichung,Taiwan)，敷在事先清洗及未清洗的人體臉部額頭皮膚。經過約15~40分鐘後，實施例1的生物纖維膜完全乾掉，呈現透明。市售生物纖維膜仍呈現潮濕狀。經少許清水拍濕後，取下生物纖維膜，再經5分鐘後，以CK Electronic多功能皮膚檢測儀MPA 580型(Cutometer)檢測該處的皮膚的油脂。
如第4圖所示，將膜敷在事先未經過清洗的皮膚上，實施例1生物纖維膜可減少約92%的皮膚表面油脂量，市售生物纖維膜則僅可減少約30%的油脂量。如第5圖所示，將膜敷在事先清洗過的皮膚上，實施例1之生物纖維膜可減少幾乎100%的皮膚表面油脂量，但市售生物纖維膜僅可減少約62%的油脂量。
[實施例4]含水量及乾重試驗
取5cm直徑圓形的實施例1生物纖維膜加水後的飽和狀態及市售生物纖維膜((ChiaMeei Food Industrial Corp.,Taichung,Taiwan))秤重(W1)後，於50℃烘箱中烘乾後秤重(W2)，計算含水率、單位面積含水量、單位面積纖維量及單位纖維含水量。結果數據如下表1。
如上表1所示，實施例1與市售生物纖維膜的在單位面纖維量上，有明顯的差異。市售生物纖維膜單位面纖維量約為實施例1生物纖維膜的2倍以上，此一差異也顯示在單位纖維及單位面積的含水量上。此結果顯示，實施例1之生物纖維膜僅需較少量的水即可達到飽和狀態，也是形成本發明之生物纖維膜較市售生物纖維膜為輕薄、服貼之原因之一。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
S1,S2,S3．．．生物纖維膜的製造流程
第1A圖顯示實施例1之生物纖維膜表面的電子掃描顯微照片。
第1B圖顯示實施例1之生物纖維膜在膜厚方向切面的電子掃描顯微照片。
第2圖顯示實施例1之生物纖維膜的製造流程。
第3圖顯示實施例2之甘油經由生物纖維膜與市售生物纖維膜傳導至皮膚，對該皮膚表面水分散失率的影響，其中柱A表示未使用任何物質的皮膚表面(控制組)；柱B表示使用實施例2之生物纖維膜飽和狀態的上表面；柱C表示使用實施例2之生物纖維膜飽和狀態的下表面；柱D表示使用實施例2之生物纖維膜未飽和狀態的上表面；及柱E表示使用市售生物纖維膜。縱座標為，使用前後之皮膚表面水份的散失率的相對差異百比率。相對差異百分率定義為：(使用後皮膚表面水分散失率-使用前皮膚表面水分散失率)/使用前皮膚表面水分散失率。
第4圖顯示實施例3之生物纖維膜與市售生物纖維膜對未事先清洗的皮膚表面之使用前後油脂量的變化，使用前定義為100%。
第5圖顯示實施例3之生物纖維膜與市售生物纖維膜對事先清洗過的皮膚表面之使用前後油脂量的變化，使用前定義為100%。
第6A圖顯示本發明一實施例之生物纖維膜的使用前狀態，第6B圖顯示將第6A圖之生物纖維膜敷於皮膚表面後，該處的皮膚紋理出現於該生物纖維膜上的使用後狀態，顯示該生物纖維膜的良好皮膚密合性。
第7A及7B圖顯示本發明一實施例之生物纖維膜敷於皮膚表面後，該處皮膚的毛孔內皮脂吸附於該生物纖維膜上的使用後狀態。
Claims (12)
- 一種生物纖維膜，包括由微生物纖維素所形成的微生物纖維，其特徵在於，該微生物纖維的排列在該生物纖維膜的膜厚方向具有密度梯度，其中，該生物纖維膜由包含低的起始微生物濃度為102 ~105 個/ml之木質醋酸菌(Gluconacetobacter xylinum )，經由兩階段培養溫度的靜置培養之步驟的方法所製造，其中該兩階段培養溫度包括第一階段為25~28℃，第二階段為29~32℃。
- 如申請專利範圍第1項所述之生物纖維膜，該生物纖維膜的乾重為5-20g/m2 。
- 如申請專利範圍第1項所述之生物纖維膜，更包括水。
- 如申請專利範圍第3項所述之生物纖維膜，更包括一活性成分，該活性成分包括化粧品原料、保濕劑、美白成份、抗皺成份、去角質成份、生長因子(growth factors)、酵素(enzymes)或前述之組合。
- 如申請專利範圍第3項所述之生物纖維膜，更包括一活性成分，該活性成分包括藥物、抗生素(antibiotics)、抗菌劑(antimicrobials)、抗病毒藥物(antivirals)、減緩發炎藥劑、止血劑(hemostatics)、麻醉劑(anesthetics)、促進傷口癒合藥劑或前述之組合。
- 如申請專利範圍第3項所述之生物纖維膜，其中該含水量為該生物纖維膜總重的90%~99%重量百分比。
- 如申請專利範圍第3項所述之生物纖維膜，其中該生物纖維膜的厚度為0.1mm~0.5 mm。
- 一種生物纖維膜的非治療性使用，包括將申請專利範圍第1-4項任一項所述之生物纖維膜施於皮膚表面，其中該生物纖維膜與該皮膚接觸的表面為密度較低的表面。
- 如申請專利範圍第8項所述之使用，其中該皮膚包括表皮、真皮、皮下組織、指甲、毛髮、或皮膚的腺體。
- 一種非治療性的減少皮膚表面油脂的方法，包括將申請專利範圍第1-4項任一項所述之生物纖維膜施於皮膚表面，其中該生物纖維膜與皮膚接觸的表面為密度較低的表面。
- 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該皮膚表面油脂量，相較於未使用前的皮膚表面油脂量，減少50~100%。
- 一種生物纖維膜之製造方法，該生物纖維膜包括由微生物纖維素所形成的微生物纖維，且該微生物纖維的排列在該生物纖維膜的膜厚方向具有密度梯度，該製造方法包括以低的起始微生物濃度為102 ~105 個/ml之木質醋酸菌(Gluconacetobacter xylinum )，經由兩階段培養溫度的靜置培養之步驟，其中該兩階段培養溫度包括第一階段為25~28℃，第二階段為29~32℃。
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