细菌纤维素在组织工程中的应用

中国组织工程研究第18卷第3期2014–01–15出版ChineseJournalofTissueEngineeringResearchJanuary15,2014Vol.18,No.3P.O.Box10002,Shenyang110180黄建文，男，1984年生，江西省千县人，汉族，上海交通大学附属第六人民医院在读博士，医师，主要从事泌尿系组织工程研究。doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.03.015[]中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:2095-4344(2014)03-00420-06稿件接受：2013-10-27HuangJian-wen,Studyingfordoctorate,Physician,DepartmentofUrologySurgery,SixthPeople’sHospitalofShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200233,ChinaAccepted:2013-10-27细菌纤维素在组织工程中的应用黄建文，徐月敏(上海交通大学附属第六人民医院泌尿外科，上海市200233)文章亮点：1此问题已知的信息：细菌纤维素是一种天然的生物材料，主要由木醋杆菌产生。由于具有独特的机械和生物特性2文章增加的新信息：近年来，细菌纤维素在组织工程应用研究中受到越来越多的关注。目前已开始将细菌纤维素应用于其他系统的组织器官重建中，如泌尿系组织。3临床应用意义：利用细菌纤维素的高持水性、高机械强度、可降解性、良好的生物相容性和超细三维纳米网状纤维结构等独特特性，有望成为在不同组织修复重建中的重要生物材料。关键词：生物材料；纳米材料；细菌纤维素；组织工程；改性修饰；皮肤组织工程；血管组织工程；骨组织工程；生物活性分子的载体主题词：生物相容性材料；纤维素；纳米纤维；支架摘要背景：细菌纤维素是纳米级纤维，具有许多独特的理化和机械性能及良好的生物相容性和可降解性等特性，目前已成为国际上新型组织工程材料的研究热点。目的：分析细菌纤维素在组织工程中的应用。方法：检索2004至2013年PubMed数据库和中国知网数据库中相关文献，英文检索词为“bacterialcellulose;tissueengineering”，中文检索词为“细菌纤维素；组织工程”。选取有关细菌纤维素在组织工程中应用方面密切相关文献48篇进行分析。结果与结论：细菌纤维素具有高结晶度、高持水性、高机械强度、可降解性、良好的生物相容性和超细三维纳米网状纤维结构等独特特性，能作为生物活性分子的载体，维持生物活性分子的活性。同时，细菌纤维素通过改性修饰能提高其机械和生物特性，促进损伤组织的修复重建。目前已开始将细菌纤维素应用于组织器官重建中。细菌纤维素能作为生物活性分子的载体，但存在难以降解和功能单一等缺点，通过对细菌纤维素的改性修饰可以改善它的功能和促进降解。黄建文，徐月敏.细菌纤维素在组织工程中的应用[J].中国组织工程研究，2014，18(3):420-425.ApplicationofbacterialcelluloseintissueengineeringHuangJian-wen,XuYue-min(DepartmentofUrologySurgery,SixthPeople’sHospitalofShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200233,China)AbstractBACKGROUND:Becauseofuniquephysiochemicalandmechanicalpropertiesandgoodbiocompatibilityanddegradability,bacterialcellulose,ananofiber,hasapotentialasanidealtissue-engineeredmaterial.OBJECTIVE:Toretrospectivelyanalyzetheapplicationofbacterialcelluloseintissueengineering.METHODS:ThefirstauthorresearchedPubMedandCNKIdatabases(2004/2013)toretrievearticlesaboutapplicationofbacterialcelluloseintissueengineering.Thekeywordswere“bacterialcellulose;tissueengineering”inEnglishandChinese,respectively.Totally48relevantarticleswereanalyzed.RESULTSANDCONCLUSION:Bacterialcellulosehasuniqueproperties,suchas,highcrystallinity,highmechanicalstrength,highwaterholdingcapacity,biodegradation,biocompatibilityandthree-dimensionalnanonetwork.Inaddition,bacterialcellulosecanmaintainbiologicalactivityofbioactivefactorsasacarrier.Atlast,modifiedbacterialcellulosecanimproveitsmechanicalandbiologicalproperties,andpromotetherepairandreconstructionofthetissueandorgan.Currently,bacterialcellulosehasbeenusedintissueandorganreconstruction.Bacterialcelluloseasacarrierforbioactivemoleculesisdifficulttodegradeandhasdisadvantagesofsinglefunction,whichcanbemodifiedtoimproveitsfunctionanddegradation.Subjectheadings:biocompatiblematerials;cellulose;nanofibers;stentsHuangJW,XuYM.Applicationofbacterialcelluloseintissueengineering.ZhongguoZuzhiGongchengYanjiu.2014;18(3):420-425.黄建文，等.细菌纤维素在组织工程中的应用ISSN2095-4344CN21-1581/RCODEN:ZLKHAH421细菌纤维素(bacterialcellulose,简称BC)又称微生物纤维素(microbialcellulose)是由细菌合成的一种天然高聚物，而且是目前研究较为广泛的一种新型生物学材料。能够合成细菌纤维素的细菌主要是etobacter、Agrobacterium、Pseudomonas、Rhizobium和Sarcina等菌株，其中研究最多、产量最高的是木醋杆菌(Acetobacterxylinum)。作为目前最细的天然纤维，细菌纤维素的直径100nm，是纳米级纤维，其大小仅为人工合成纤维的1/10。虽然细菌纤维素与植物纤维素都是由β-D-葡萄糖通过β-1，4-糖苷键结合成的直链，但是细菌纤维素具有许多独特的理化和机械性能，比如高结晶度、高持水性、超细三维纳米纤维结构、高抗张强度和弹性模量等，同时还具有良好的生物相容性和可降解性等特性[1-11]，目前已成为近年来国际上新型组织工程材料的研究热点。1资料和方法Dataandmethods1.1资料来源由第一作者检索2004至2013年PubMed数据库和中国知网数据库。英文检索词为“bacterialcellulose;tissueengineering”，中文检索词为“细菌纤维素；组织工程”。检索文献量总计82篇。1.2纳入与排除标准纳入标准：①文章所述内容需与细菌纤维素在组织工程中应用的研究密切相关。②同一领域选择近期发表或在权威杂志上发表的文章。排除标准：重复性研究。1.3数据的提取共检索到文献82篇，其中中文文献39篇，英文文献43篇，排除与研究目的相关性差及内容陈旧、重复的文献34篇，纳入48篇符合标准的文献进行综述。1.4质量评价符合纳入标准的48篇文献中，文献[1-11]探讨了细菌纤维素的理化、机械特性和生物相容性，文献[4-5，12-27]探讨了细菌纤维素在不同组织器官的组织工程中的应用，文献[28-34]探讨了细菌纤维素作为生物活性分子载体的应用，文献[24，27，35-48]探讨了细菌纤维素的改性修饰。2结果Results2.1细菌纤维素在皮肤组织工程中的应用为了探讨细菌纤维素在皮肤损伤治疗中的应用，Sanchavanakit等[12]研究者将人角化细胞和人成纤维细胞种植于细菌纤维素膜上，观察这两种细胞在细菌纤维素膜上的生长、平铺和迁移情况，从而评估细菌纤维素膜的潜在生物作用机制。同时，他们也研究了细菌纤维素膜的物理、机械特性。结果显示细菌纤维素膜的平均孔径和表面积分别是22.4nm，12.62m2/g；细菌纤维素膜的持水性很强且具有很高机械强度；细菌纤维素膜没有细胞毒性，支持角化细胞和成纤维细胞的生长和增殖，但角化细胞在细菌纤维素膜呈平铺样生长，细菌纤维素膜促进角化细胞的迁移，而成纤维细胞呈簇状生长；同时，RT-PCR显示角化细胞的特异标记物E-钙黏素和α-3粘连蛋白基因在角化细胞内表达，这表明细菌纤维素膜能支持和维持角化细胞的特征。故研究者们认为细菌纤维素膜与角化细胞的相容性要优于成纤维细胞，再上皮化过程可能是细菌纤维素膜有利于皮肤伤口愈合的机制，成纤维细胞不易在细菌纤维素膜上黏附可能有利于抑制皮肤瘢痕的形成。同时，国内外学者也曾报道细菌纤维素对皮肤创伤促愈合和抑制皮肤瘢痕方面的相关实验研究[13-15]。2.2细菌纤维素在血管组织工程中的应用近几年来，细菌纤维素在血管组织工程中的研究较为迅速。Esguerra等[5]将细菌纤维素植入仓鼠背部皮肤褶室内，评估其生物相容性和血管化作用。结果表明细菌纤维素的相容性良好，周围出现血管化反应。此研究为细菌纤维素作为血管组织工程材料提供了体内研究基础。Backdahl等[16]将人平滑肌细胞种植于细菌纤维素膜上，在体外观察细胞在细菌纤维素膜的黏附、增殖和渗透情况，评估细菌纤维素膜的机械特性，并将猪颈动脉和膨体聚四氟乙烯材料作为对照组。扫描电镜显示细菌纤维素膜两面结构呈不对称性，近气液交界面的细菌纤维素膜表面呈致密状，而反面呈疏松的空隙状。细菌纤维素膜的纳米纤维直径约100nm，其网状结构与天然胶原结构相似。对比细菌纤维素、猪颈动脉和膨体聚四氟乙烯材料的机械强度，发现细菌纤维素与猪颈动脉相似，这可能是由于相似的纳米纤维网状结构所致；在断裂拉力、断裂张力和杨氏模量方面，猪颈动脉优于细菌纤维素。同时，此研究显示平滑肌细胞较好地黏附于细菌纤维素膜表面，在细菌纤维素上增殖并渗入膜内。当培养基中加入生长因子(血小板衍生生长因子BB)时，细胞渗入至细菌纤维素膜内的距离更大，体外培养2周后，细胞渗入40μm，且在不同层次均有细胞渗入，而致密面仅渗入1-5μm。由于细菌纤维素膜满足了组织工程支架的一些基本要素，所以细菌纤维素可能作为血管组织工程支架材料。因为顺应性的不匹配是移植血管内膜增生的主要原因之一，所以为了评估管状细菌纤维素的机械特性是否能满足组织工程人工血管的需要，Zahedmanesh等[17]通过膨胀实验和单轴拉力试验来