[发明专利]一种管状细菌纤维素的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种管状细菌纤维素的制备方法。

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。需要指出的是，现有技术利用透氧材料人为创造气/液界面，培养细菌纤维素材料存在培养周期长的缺陷。采用现有技术要使的细菌纤维素材料具有能够满足应用要求的力学性能，培养周期需要两周甚至更长的时间。有研究认为，微生物形成细菌纤维素的关键在于其所处环境满足有氧与有糖两个条件。细菌纤维素内部由于上方空气扩散作用而存在一个有氧区，同时由于下方培养液渗透作用而存在一个碳源区，处于有氧区与碳源区重叠区域，也称为“有效区域”，的细菌才是真正产生纤维素的细菌，80%的纤维素来自于这部分细菌，因此也称为“活性菌”。从实质上说，现有技术采用透氧材料制备细菌纤维素仍属于静态培养范畴，没有将动态培养与静态培养各自的优势完全结合起来。

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。但是，仅依靠单层透氧材料制备得到的管状细菌纤维素其有着内腔致密，外壁疏松的不对称结构。疏松的外壁使得材料的缝合性能较差。在缝合处容易由于材料与周围组织的顺应性不够而形成内膜增生，进而导致血栓的发生。

发明内容

本发明涉及一种管状细菌纤维素的制备方法。采用双层透氧材料嵌套的方式，构造出内外双层气/液界面，将细菌纤维素在培养过程中，内部有氧区与碳源区重叠区域为现有技术的两倍，将制备周期由2周甚至更长时间缩短至10天以内。在现有公开技术的基础上，本发明通过精确调节中空透氧模具内管内部压力气体以及外管外部气体的压力，使中空透氧模具的内管与外管都能够沿径向产生收缩/舒张，周期性的交替变化。由于中空透氧模具内管与外管的径向收缩/舒张幅度很小，一般不超过5%，因此这种制备管状细菌纤维素的过程是一个“准静态”的过程。不会因为径向变化幅度过大而使材料产生物理分层或部分黏连的情况。通过调节中空透氧模具内管内部与外管外部的氧气体积浓度，能够控制材料内部纤维素的疏密程度，快速构筑出一个内腔致密光滑、外壁缝合性良好、沿径向纤维素微纤丝取向规整的具备差异化结构的管状细菌纤维素材料。