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

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

來源：Journal of Chemical Technology and Biotechnology, Volume 92, 2017, Pages 1218-1228

《化學技術與生物技術雜志》第92卷，2017年，第1218-1228頁

 

摘要：

摘要部分闡述了本研究比較了兩種生物反應器（雙硅膠管D-BNC和單硅膠管S-BNC）在合成細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）。結果表明，D-BNC生物反應器由于氧氣供應更充足，產量更高且機械性能更好；高果糖濃度增加了D-BNC產量，但對S-BNC產量影響較小；果糖賦予管子更強的機械性能但水滲透性較低；兩種管子均由多孔納米纖維網絡組成，但截面形態和纖維分布不同。摘要強調，研究揭示了BNC管生物合成過程與性能的相關性，為調控BNC管結構用于醫療假體提供指導。

 

研究目的：

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

 

研究思路：

研究思路是使用Gluconacetobacter xylinus CGMCC No.1186菌株，在兩種生物反應器（S-BNC和D-BNC）中進行靜態培養，碳源為葡萄糖或果糖（濃度50 g/L和100 g/L）。培養過程中監測溶解氧、殘余糖濃度、pH變化、細菌細胞分布和BNC產量；培養14天后，評估管子的機械性能（拉伸強度和爆破壓力）、水滲透性、密度和形態（通過掃描電鏡）。通過統計分析比較數據，以確定生物反應器設計和培養條件對BNC管性能的影響。

 

測量的數據及研究意義：

1 溶解氧變化數據：來自圖2，測量了培養過程中溶解氧的濃度變化。研究意義是顯示D-BNC生物反應器初始溶解氧更高，氧氣供應更充足，促進了細菌代謝和BNC合成，而S-BNC生物反應器氧氣不足限制產量，驗證了氧氣供應對BNC生產的關鍵作用。

 

2 細菌細胞分布數據：來自圖4，通過熒光染色觀察細菌在管子中的分布。研究意義是顯示D-BNC生物反應器有兩個細菌聚集區，對應雙氧氣界面，而S-BNC只有一個聚集區，解釋了管子截面形態差異（多層vs均勻），表明氧氣分布影響細胞定位和BNC纖維形成。

 

3 BNC產量數據：來自圖7，測量了最終BNC干重。研究意義是D-BNC產量顯著高于S-BNC，果糖比葡萄糖更有效，高果糖濃度（100 g/L）進一步提升D-BNC產量，說明碳源類型和生物反應器設計共同調控BNC生產，為優化培養條件提供依據。

 

4 拉伸強度數據：來自圖8，測量了管子的軸向拉伸力。研究意義是果糖制備的管子強度更高，D-BNC管子強度隨培養時間增加而提升，表明BNC產量和纖維排列影響機械性能，支持BNC管作為血管假體的耐用性需求。

 

5 爆破壓力數據：來自圖9，測量了管子破裂時的壓力。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，高果糖濃度進一步改善性能，確保管子在小口徑血管應用中的安全性。

 

6 水滲透性數據：來自圖10，測量了水透過管壁的速率。研究意義是水滲透性隨培養時間降低，果糖管子滲透性較低，表明纖維密度增加，影響營養交換和內皮化潛力，為設計合適滲透性的血管假體提供參考。

 

7 形態學數據：來自圖11和圖12，通過掃描電鏡觀察纖維網絡和截面。研究意義是S-BNC管子呈多層結構，D-BNC管子均勻多孔，纖維直徑分布均勻，證實氧氣分布影響纖維組裝，直接影響管子的生物相容性和機械完整性。

 

 

 

 

結論：

1 果糖作為碳源比葡萄糖更利于BNC管生產，賦予更高產量和更強機械性能，且D-BNC生物反應器優于S-BNC生物反應器。

2 生物反應器類型影響氧氣分布和細菌細胞分布，導致BNC管結構差異（S-BNC為多層，D-BNC為均勻結構），進而調控性能。

3 通過選擇糖類型、濃度和培養時間，可以調控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電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense電極測量的溶解氧數據具有重要研究意義，主要體現在以下幾個方面：首先，電極高精度地監測了培養過程中溶解氧的實時變化（圖2），顯示D-BNC生物反應器初始溶解氧更高（約1100-1143 μmol/L），而S-BNC較低（約684-697 μmol/L），這直接驗證了D-BNC設計通過雙硅膠管提供更充足氧氣，促進了細菌有氧代謝和BNC合成，而S-BNC氧氣供應不足限制產量。其次，電極測量了培養4天后不同位置的氧氣分布（圖3），發現D-BNC生物反應器在靠近內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整體缺氧嚴重（OP和MP處僅11-16 μmol/L），這種不均勻分布通過細菌細胞分布數據（圖4）得到印證，導致BNC纖維形成差異。意義在于，這些數據揭示了氧氣供應是BNC合成的主要限制因素，證明了生物反應器設計對氧氣擴散和細胞活性的影響，為優化反應器以提高BNC產量和均勻性提供實驗依據。此外，溶解氧數據與糖消耗和pH變化關聯，表明氧氣水平影響細菌代謝途徑（如果糖代謝產酸較少），支持非熱機制主導BNC合成，最終指導醫療假體制備中氧氣管理的優化。