[发明专利]一种脉动培养细菌纤维素的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种脉动培养细菌纤维素的方法。

背景技术

细菌纤维素是指在不同条件下，由醋酸菌属、土壤杆菌属、根瘤菌属和八叠球菌属等中的某种微生物合成的纤维素的统称。醋酸菌属中的木醋杆菌Acetobacter xylinum由于产生纤维素效率最高而被广泛用于细菌纤维素基础研究以及应用研究的模板微生物。

细菌纤维素的制备方法目前主要为静态培养与动态培养两种。由于菌种为革兰氏阴性原生细胞体的赖氧生存属性，使细菌纤维素形成于糖源与有氧区与的交界处。静态培养得到的细菌纤维素材料根据培养容器形状不同以及应用领域能够形成薄膜状，管状等规则几何形状。在静态培养过程中，严格要求不使培养容器产生剧烈晃动以避免细菌纤维素产生分层或部分黏连的现象，降低材料的应用价值。此外，静态培养周期较长，成本过高，细菌纤维素产量无法满足大规模生产的要求；动态培养是指在培养过程中，将氧气或空气以气泡形式通入培养容器中并结合机械搅拌的方式，人为地使原本氧气含量十分有限的培养液含有接近空气中的氧气含量，制备细菌纤维素。由于培养过程中存在着剪切应力，因此得到的细菌纤维素为絮状、星形、团簇状、球形、椭圆等不规则几何形状，应用价值不高。此外，有研究发现动态培养条件下会产生菌种细胞变异体，变异体不具有产生纤维素的能力，因此动态培养时间过久会抑制纤维素的产量。

现有技术有报道利用先动态，后静态的“两步法”制备细菌纤维素，广泛应用于东南亚地区“纳塔”（椰果）产业。“两步法”能够在一定程度上提高单一静态培养细菌纤维素的产量，但是从实质上说，仍然是两种不同的制备工艺的简单叠加，无法实现细菌纤维素材料既保证产量，又具有规整的几何外形。

现有技术采用透氧材料制成中空模具，利用菌种赖氧生存的生物特性，在模具内腔通入一定压力的空气或氧气，置于接入菌种的发酵培养液中；或者将接入菌种的发酵培养液灌满中空模具内部，将其置于一定压力的环境中。静置一段时间后，细菌分泌纤维素包覆模具外壁或紧贴模具内腔，形成异型中空材料。这种方法能够获得外形不局限于简单的薄膜、管状的异型中空细菌纤维素材料。但是，这种方法从实质上说，仍属于静态培养范畴。

透氧材料按照成型工艺可分为织造型与热塑型。其中织造型的材料包括高分子聚合物纤维如棉、纱、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维或PET纤维；热塑型的材料包括硅橡胶、膨体聚四氟乙烯、乳胶或陶瓷。已有报道，现有技术将采用透氧材料制备得到的中空异型细菌纤维素应用于人造血管的构建，并已取得一定的成果。

理想的血管移植物应具有一个大面积连通的内皮细胞层，以及一个有区别的、静态的平滑肌细胞层，这样才能够提供足够的机械完整性与弹性模量，以满足缝合后的材料维持能力并适应人体全身动脉压力。目前通过组织工程手段，与体外培养人造血管的方法通常选择生物降解性能良好的高分子聚合物材料如聚乳酸PLA，聚乙醇酸PGA以及聚乳酸-聚乙醇酸共聚物PLGA作为支架材料，浸没于灌有培养液的生物培养器中，并接入细胞。培养阶段，通过液体灌注装置人为营造“脉动”的环境来培养人造血管组织。研究发现，在模拟人体脉动环境下培养得到的人造血管组织，外观上与自体动脉十分相似。组织学观察发现平滑肌细胞向内迁移并将支架材料碎片包覆于人造血管壁内，有研究指出，支架碎片的存在，会使材料植入人体内内膜增生以及血栓形成的概率提高；同时，支架碎片也会影响平滑肌细胞的生长与分化。生物可降解材料在人体内降解时会使人造组织局部区域呈明显酸性，这一现象会引发炎症，周围组织坏死等一系列的并发症。

发明内容

本发明的目的是提供一种脉动培养细菌纤维素的方法，采用透氧材料，根据血管、胆管、尿道管、输精管等人体中空异型组织的实际形状、直径及大小制作外周直径与目标内径相一致的中空模具。在现有公开技术基础上，通过精确调节中空模具内部气体压力以及氧气体积浓度，使中空模具以一定频率，沿径向产生收缩/舒张的交替变化。由于中空模具径向收缩/舒张的幅度很小，一般不超过5%，因此这一脉动培养细菌纤维素的过程是一个“准静态”的过程。现有技术在模拟人体收缩/舒张脉动环境下，能够很好地让提供血管抗凝血界面的内皮细胞与提供力学弹性的平滑肌细胞这两种不同的细胞在支架内部很好地生长。