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, pages 1218-1228, 2017

《化學技術與生物技術》，第92卷，第1218-1228頁，2017年

 

摘要：

摘要部分闡述了細菌納米纖維素（BNC）管在人工血管等醫療假體中的應用前景。研究首次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BNC管時的差異，使用果糖或葡萄糖作為碳源。結果顯示，D-BNC生物反應器由于氧氣供應更好，產量更高，機械性能更優；高果糖濃度增加D-BNC產量，但對S-BNC影響??；果糖賦予更強機械性能但水滲透性較低。兩種管均由多孔納米纖維網絡組成，但橫截面形態和纖維分布不同。

 

研究目的：

研究目的是比較兩種生物反應器（D-BNC和S-BNC）在BNC管制備過程中的差異，包括培養條件、氧氣供應、細菌分布等，以調節BNC管的結構和性質，用于開發更有效的人工血管等醫療假體，解決小口徑血管移植中的問題，如內膜增生和栓塞。

 

研究思路：

研究思路是通過使用Gluconacetobacter xylinus菌株，在兩種生物反應器（D-BNC和S-BNC）中培養BNC管，使用不同濃度（50 g/L和100 g/L）的葡萄糖和果糖作為碳源。測量培養過程中的殘糖濃度、pH變化、溶解氧（DO）、細菌分布、BNC產量，以及最終管的機械性能（拉伸強度、爆破壓力、水滲透性）和形態（FE-SEM）。通過對比分析，評估生物反應器類型、糖類型和濃度對BNC管性質的影響。

 

測量的數據及研究意義：

1 溶解氧（DO）變化：數據來自圖2，顯示培養過程中DO的消耗和平衡。研究意義在于揭示氧氣供應對細菌代謝和BNC合成的影響，D-BNC生物反應器由于雙氧供應，DO更高，促進BNC產量。

 

2 DO分布：數據來自圖3，顯示培養4天后生物反應器中不同位置的氧氣濃度。研究意義在于證明氧氣梯度影響細菌分布，D-BNC生物反應器在內外管位置DO更高，導致更均勻的BNC形成。

 

3 細菌分布：數據來自圖4，通過熒光顯微鏡觀察細菌在BNC管中的聚集。研究意義在于驗證細菌主要在空氣-液體界面聚集，影響BNC層狀結構形成，D-BNC生物反應器有兩個細菌區，導致更均勻的管壁。

 

4 糖消耗：數據來自圖5，顯示培養過程中殘糖濃度變化。研究意義在于比較糖利用速率，葡萄糖消耗快于果糖，但果糖更利于BNC合成，D-BNC生物反應器糖消耗更多，產量更高。

 

5 pH變化：數據來自圖6，顯示培養過程中pH下降。研究意義在于揭示代謝副產物酸的影響，葡萄糖導致pH更低，約束BNC合成，而果糖條件更溫和。

 

6 BNC產量：數據來自圖7，顯示最終BNC干重。研究意義在于評估不同條件下的產量，D-BNC生物反應器產量更高，尤其使用高濃度果糖時，達4.24 g/L。

 

7 拉伸強度：數據來自圖8，顯示BNC管的軸向拉伸力。研究意義在于評估機械性能，隨時間增加，果糖條件強度更高，D-BNC管最強（18.04 N），適用于血管假體。

 

8 爆破壓力：數據來自圖9，顯示管壁耐壓能力。研究意義在于評估圓周方向強度，D-BNC管爆破壓力更高（0.12 MPa），超過人體血壓，確保安全性。

 

9 水滲透性：數據來自圖10，顯示水通過管壁的速率。研究意義在于評估多孔性，影響營養運輸和細胞長入，所有管水滲透性均較低（<9 mL/cm2/min），適合植入。

 

 

10 形態特征：數據來自圖11、12和表1，顯示橫截面和纖維網絡。研究意義在于揭示結構差異，S-BNC管呈層狀，D-BNC管均勻多孔，影響機械性能和生物相容性。

 

 

 

 

結論：

結論是果糖作為碳源比葡萄糖更利于BNC生產，賦予更強機械性能；D-BNC生物反應器由于氧氣供應更好，產量更高，管結構均勻，性能優異，適用于人工血管等醫療假體；S-BNC管呈層狀結構，性能較弱，可作為復合材料基礎。通過調節糖類型、濃度和培養時間，可控制BNC管性質。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense OX-13896電極測量溶解氧（DO），研究意義在于精確監測培養過程中的氧氣水平，以評估生物反應器的氧氣供應效率。測量顯示，D-BNC生物反應器由于雙硅膠管設計，DO更高（如初始DO達1100-1143 μmol/L），促進細菌生長和BNC合成；而S-BNC生物反應器DO較低（684-697 μmol/L），導致氧氣梯度大，細菌分布不均。DO分布數據（圖3）進一步揭示氧氣在管壁位置的差異，影響BNC層形成。這有助于優化培養條件，確保BNC管在缺氧模擬環境中的質量，為醫療應用提供可靠數據。