摘要

背景：細菌納米纖維素（BNC）在人造血管、食道和尿道等應用方面具有前景。已有幾種生物反應器用于合成BNC管，然而，關于生物合成過程和管性能的差異知之甚少。本研究首次比較了兩種類型的生物反應器，即雙硅膠管（D-BNC）和單硅膠管（S-BNC）生物反應器，以評估分別使用50 g L-1和100 g L-1的果糖或葡萄糖制備BNC管的過程和性能差異。

結果：兩種生物反應器顯示出不同的BNC管生產生物合成過程。由于氧氣供應更充足，D-BNC生物反應器生產的BNC管產量更高，機械性能更好。較高的果糖濃度導致D-BNC產量增加，但糖的類型和濃度對S-BNC產量影響不大。果糖賦予更強的機械性能，但透水性較低。用100 g L-1果糖制備的兩種類型的管均由多孔納米纖維網絡組成，但顯示出不同的橫截面形態和纖維分布。

結論：本研究揭示了兩種生物反應器中BNC管的生物合成過程及其與性能的相關性。研究結果為指導如何調控BNC管的結構和性能以用于包括人造血管在內的生物醫學假體提供了依據。

引言

對于替代小口徑血管（<6mm）的人造血管的需求日益增長，特別是在搭橋手術中。1膨脹聚四氟乙烯（ePTFE）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）人造血管已臨床應用于較大血管的置換。然而，諸如內膜增生和栓塞等嚴重問題限制了它們在小血管移植中的應用。2-4目前搭橋手術的標準是使用自體血管，如內乳動脈或大隱靜脈。除了來源有限和手術過程中額外的手術步驟外，5,6采集這些血管可能對原始組織或器官造成損害。因此，非常需要適用于生產小血管的新材料。

細菌納米纖維素（BNC）是一種由某些微生物（例如木醋桿菌）在培養基氣液界面分泌的纖維素，因其優異的性能而被研究作為小血管替代物，這些性能包括在寬范圍的溫度和pH值下的穩定性、高純度和超強持水性、良好的機械性能和生物相容性、超細納米纖維網絡和高孔隙率。研究人員發現，通過使用氫氧化鈉處理然后水洗的純化方法，可以輕松消除BNC中的內毒素，以滿足FDA對與血液接觸的植入物的要求（每個醫療器械<20 EU）。纖維網絡中高持水量可防止血液中蛋白質的吸附，這有利于血液相容性。14在體內動物實驗中，柔韌的纖維網絡和孔隙為細胞粘附和向內生長以形成新的血管組織提供了合適的基質。

小口徑BNC管已通過在不同類型的生物反應器中，使用不同的菌株和培養基進行原位培養制備。15 Hong等人總結了四種制備BNC管的生物反應器。16來自不同生物反應器的BNC管表現出不同的結構和性能。例如，在氧滲透性硅膠管表面形成的BNC管（該硅膠管浸沒在接種的培養基中，并有空氣入口通過硅膠管）顯示出多層橫截面形態和機械性能不足。13,17,18據報道，這種BNC管的形態和機械性能可以通過改變生物合成過程中的氧氣比例來控制。13與確定成分培養基相比，復合培養基導致更高的BNC產量。13另一種在雙硅膠管生物反應器中制備的BNC管顯示出完整的橫截面形態，沒有多層結構，盡管其BNC的形成機制與第一種生物反應器相似。16 BNC管的機械性能受培養時間影響。此外，研究人員還發現碳源和氮源在BNC的生產中起著重要作用。19,20所有這些結果表明，BNC管的結構和性能可以通過培養條件進行調控，包括營養源、氧氣比例、菌株類型、培養時間和培養生物反應器。然而，關于培養條件對BNC管性能影響的系統研究尚未充分進行。

為了探索制備具有理想結構和性能的BNC管的最佳因素，本研究首次比較了兩種不同類型生物反應器中培養過程以及所制備BNC管性能的差異。使用產BNC的木醋桿菌CGMCC No.1186，在不同濃度的葡萄糖和果糖中培養，分別在Bodin等人13和Hong等人16描述的兩種生物反應器中獲得BNC管。測定培養過程中殘留糖濃度、pH變化、溶解氧、細菌細胞分布和BNC產量，以探索BNC形成的機制。對BNC管的爆破壓、透水性、拉伸強度和形態進行了表征。這些結果為BNC管在血管移植物、人造食道和尿道等管狀植入假體中的制備和應用提供了更多有益的知識。

材料與方法

化學品和菌株

除非另有說明，所有使用的化學品均為分析純，購自中國上海國藥集團化學試劑有限公司。一株從海南耶國食品有限公司獲得的木醋桿菌，保藏號為CGMCC No.1186（中國普通微生物菌種保藏管理中心，北京），在含有2.5%D-葡萄糖、0.5%蛋白胨、0.3%酵母提取物（Oxoid,UK）和1.8%瓊脂的瓊脂平板上保存，初始pH為5.0。

為了生產BNC管，將糖添加到含有5g L-1蛋白胨和3g L-1酵母提取物（Oxoid,UK）的液體培養基中，使果糖和葡萄糖的最終濃度分別達到50和100g L-1，以制備四種生產培養基，初始pH為5.0。

預培養物的制備

從瓊脂平板上取兩環菌種轉移到含有上述300 mL生產培養基的1000 mL錐形瓶中。在30°C、160 rpm的旋轉搖床上振蕩培養12-24小時后，獲得用于生產BNC管的預培養物。