Comparison of two types of bioreactors for synthesis of bacterial nanocellulose tubes as potential medical prostheses including artificial blood vessels

兩種生物反應(yīng)器用于合成細(xì)菌納米纖維素管作為潛在醫(yī)療假體（包括人工血管）的比較

來(lái)源：Journal of Chemical Technology and Biotechnology, Volume 92, 2017, Pages 1218-1228

《化學(xué)技術(shù)與生物技術(shù)雜志》第92卷，2017年，第1218-1228頁(yè)

 

摘要：

摘要部分闡述了本研究比較了兩種生物反應(yīng)器（雙硅膠管D-BNC和單硅膠管S-BNC）在合成細(xì)菌納米纖維素管方面的差異，使用果糖或葡萄糖作為碳源（濃度分別為50 g/L和100 g/L）。結(jié)果表明，D-BNC生物反應(yīng)器由于氧氣供應(yīng)更充足，產(chǎn)量更高且機(jī)械性能更好；高果糖濃度增加了D-BNC產(chǎn)量，但對(duì)S-BNC產(chǎn)量影響較小；果糖賦予管子更強(qiáng)的機(jī)械性能但水滲透性較低；兩種管子均由多孔納米纖維網(wǎng)絡(luò)組成，但截面形態(tài)和纖維分布不同。摘要強(qiáng)調(diào)，研究揭示了BNC管生物合成過(guò)程與性能的相關(guān)性，為調(diào)控BNC管結(jié)構(gòu)用于醫(yī)療假體提供指導(dǎo)。

 

研究目的：

研究目的是比較兩種生物反應(yīng)器（D-BNC和S-BNC）在細(xì)菌納米纖維素管合成過(guò)程中的差異，包括生物合成過(guò)程、管子性能（如機(jī)械強(qiáng)度和水滲透性），以探索如何通過(guò)調(diào)控培養(yǎng)條件（如糖類型、濃度和氧氣供應(yīng)）制備出適用于人工血管等醫(yī)療假體的BNC管，解決小口徑血管替代材料短缺的問(wèn)題。

 

研究思路：

研究思路是使用Gluconacetobacter xylinus CGMCC No.1186菌株，在兩種生物反應(yīng)器（S-BNC和D-BNC）中進(jìn)行靜態(tài)培養(yǎng)，碳源為葡萄糖或果糖（濃度50 g/L和100 g/L）。培養(yǎng)過(guò)程中監(jiān)測(cè)溶解氧、殘余糖濃度、pH變化、細(xì)菌細(xì)胞分布和BNC產(chǎn)量；培養(yǎng)14天后，評(píng)估管子的機(jī)械性能（拉伸強(qiáng)度和爆破壓力）、水滲透性、密度和形態(tài)（通過(guò)掃描電鏡）。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析比較數(shù)據(jù)，以確定生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)和培養(yǎng)條件對(duì)BNC管性能的影響。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義：

1 溶解氧變化數(shù)據(jù)：來(lái)自圖2，測(cè)量了培養(yǎng)過(guò)程中溶解氧的濃度變化。研究意義是顯示D-BNC生物反應(yīng)器初始溶解氧更高，氧氣供應(yīng)更充足，促進(jìn)了細(xì)菌代謝和BNC合成，而S-BNC生物反應(yīng)器氧氣不足限制產(chǎn)量，驗(yàn)證了氧氣供應(yīng)對(duì)BNC生產(chǎn)的關(guān)鍵作用。

 

2 細(xì)菌細(xì)胞分布數(shù)據(jù)：來(lái)自圖4，通過(guò)熒光染色觀察細(xì)菌在管子中的分布。研究意義是顯示D-BNC生物反應(yīng)器有兩個(gè)細(xì)菌聚集區(qū)，對(duì)應(yīng)雙氧氣界面，而S-BNC只有一個(gè)聚集區(qū)，解釋了管子截面形態(tài)差異（多層vs均勻），表明氧氣分布影響細(xì)胞定位和BNC纖維形成。

 

3 BNC產(chǎn)量數(shù)據(jù)：來(lái)自圖7，測(cè)量了最終BNC干重。研究意義是D-BNC產(chǎn)量顯著高于S-BNC，果糖比葡萄糖更有效，高果糖濃度（100 g/L）進(jìn)一步提升D-BNC產(chǎn)量，說(shuō)明碳源類型和生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)共同調(diào)控BNC生產(chǎn)，為優(yōu)化培養(yǎng)條件提供依據(jù)。

 

4 拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)：來(lái)自圖8，測(cè)量了管子的軸向拉伸力。研究意義是果糖制備的管子強(qiáng)度更高，D-BNC管子強(qiáng)度隨培養(yǎng)時(shí)間增加而提升，表明BNC產(chǎn)量和纖維排列影響機(jī)械性能，支持BNC管作為血管假體的耐用性需求。

 

5 爆破壓力數(shù)據(jù)：來(lái)自圖9，測(cè)量了管子破裂時(shí)的壓力。研究意義是所有管子均耐受人體血壓，D-BNC管子爆破壓力更高，高果糖濃度進(jìn)一步改善性能，確保管子在小口徑血管應(yīng)用中的安全性。

 

6 水滲透性數(shù)據(jù)：來(lái)自圖10，測(cè)量了水透過(guò)管壁的速率。研究意義是水滲透性隨培養(yǎng)時(shí)間降低，果糖管子滲透性較低，表明纖維密度增加，影響營(yíng)養(yǎng)交換和內(nèi)皮化潛力，為設(shè)計(jì)合適滲透性的血管假體提供參考。

 

7 形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)：來(lái)自圖11和圖12，通過(guò)掃描電鏡觀察纖維網(wǎng)絡(luò)和截面。研究意義是S-BNC管子呈多層結(jié)構(gòu)，D-BNC管子均勻多孔，纖維直徑分布均勻，證實(shí)氧氣分布影響纖維組裝，直接影響管子的生物相容性和機(jī)械完整性。

 

 

 

 

結(jié)論：

1 果糖作為碳源比葡萄糖更利于BNC管生產(chǎn)，賦予更高產(chǎn)量和更強(qiáng)機(jī)械性能，且D-BNC生物反應(yīng)器優(yōu)于S-BNC生物反應(yīng)器。

2 生物反應(yīng)器類型影響氧氣分布和細(xì)菌細(xì)胞分布，導(dǎo)致BNC管結(jié)構(gòu)差異（S-BNC為多層，D-BNC為均勻結(jié)構(gòu)），進(jìn)而調(diào)控性能。

3 通過(guò)選擇糖類型、濃度和培養(yǎng)時(shí)間，可以調(diào)控BNC管的性能，D-BNC管子具有作為人工血管、食管和尿道假體的潛力。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：

使用丹麥Unisense電極測(cè)量的溶解氧數(shù)據(jù)具有重要研究意義，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，電極高精度地監(jiān)測(cè)了培養(yǎng)過(guò)程中溶解氧的實(shí)時(shí)變化（圖2），顯示D-BNC生物反應(yīng)器初始溶解氧更高（約1100-1143 μmol/L），而S-BNC較低（約684-697 μmol/L），這直接驗(yàn)證了D-BNC設(shè)計(jì)通過(guò)雙硅膠管提供更充足氧氣，促進(jìn)了細(xì)菌有氧代謝和BNC合成，而S-BNC氧氣供應(yīng)不足限制產(chǎn)量。其次，電極測(cè)量了培養(yǎng)4天后不同位置的氧氣分布（圖3），發(fā)現(xiàn)D-BNC生物反應(yīng)器在靠近內(nèi)外管的位置溶解氧較高（IP和OP處分別為191.6 μmol/L和458.3 μmol/L），但中間位置（MP）仍缺氧（8.13 μmol/L），而S-BNC整體缺氧嚴(yán)重（OP和MP處僅11-16 μmol/L），這種不均勻分布通過(guò)細(xì)菌細(xì)胞分布數(shù)據(jù)（圖4）得到印證，導(dǎo)致BNC纖維形成差異。意義在于，這些數(shù)據(jù)揭示了氧氣供應(yīng)是BNC合成的主要限制因素，證明了生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)對(duì)氧氣擴(kuò)散和細(xì)胞活性的影響，為優(yōu)化反應(yīng)器以提高BNC產(chǎn)量和均勻性提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。此外，溶解氧數(shù)據(jù)與糖消耗和pH變化關(guān)聯(lián)，表明氧氣水平影響細(xì)菌代謝途徑（如果糖代謝產(chǎn)酸較少），支持非熱機(jī)制主導(dǎo)BNC合成，最終指導(dǎo)醫(yī)療假體制備中氧氣管理的優(yōu)化。