细菌纤维素/PLGA神经损伤修复支架的材料制备与性能研究外文翻译资料

 2022-11-06 02:11

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由某些特定细菌合成的细菌纤维素（BC）是一种具有独特物理和机械性质的生物聚合物。 BC的应用范围很广，在食品工业中，可用作食品添加剂，凝胶，稳定剂和增稠剂；在高科技领域，可用于酶，细菌和真菌的固定，组织工程，心脏瓣膜假体，人造血管，骨，软骨，角膜和皮肤，牙根治疗。为了提高生物适用性，研究者已经设计和研究了不同的BC复合材料。本文综述了基于BC的复合材料在微生物控制，伤口敷料，心血管，眼科，骨骼和牙髓系统中的应用。此外，还强调了在受控药物控释，生物传感器/生物分析，酶和细胞的固定，干细胞治疗和皮肤组织修复中的应用。这项研究旨在进一步评估BC-基复合材料在未来商业应用或医学领域的可能性，为学术界和行业提供新的见解。

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纤维素是地球上最丰富的生物聚合物，一般来源于植物。它是植物细胞壁的主要结构成分，在纸张，纺织和纸浆生产单位中具有非凡的商业用途。纤维素的其他主要来源途径是葡萄糖衍生物的体外酶合成和化学合成。其中，最主要的来源是通过微生物，如藻类，真菌和农杆菌属，根瘤菌属和葡糖型乙型杆菌属的各种需氧非致病菌。

1886年，Brown首次报道在乙酸发酵期间液体介质表面上制得了坚固的细菌纤维素胶状白色薄膜。 BC膜由厚度约25mm的木霉菌生产。后来，这种细菌被更名为木醋杆菌（A.xylinum），然后被称为木瓜糊菌（G.xylinus）。

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虽然BC是在实验室生产的小规模研究，但BC有一些商业产出。此外，德国公司Fzmb GmbH的传统高纤椰果被认为是化妆品和生物医学应用的最大的BC生产商之一。此外，美国Xylos公司是Prima CelTM的生产商，Prima CelTM是一种用于伤口敷料的BC产品。 其他种类BC产品生产商包括Gengiplexreg;和Biofillreg;，用作组织修复的物理屏障。 BC也由亚洲国家的许多食品生产和使用。日本的索尼公司与日本味之素馆等公司合作制造了首个基于BC的音箱的隔膜。日本味之素丸也出售了湿BC。

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BC的性质与植物纤维素（PC）的性质不同，使其在物理学，化学和工程学到生物科学的各个领域得到广泛应用。它被制造成非常纯净的形式，完全不含果胶，木质素和纤维素，与PC相比，易于纯化。合成后的BC具有高度多孔结构，有高流体渗透性，有利于细胞粘附和增殖，并且具有高的吸水能力（含水量gt; 90％），为伤口提供潮湿的环境并吸收渗出物。 BC的这些性质是由丝带状微纤维和纳米纤维组成的超细网络结构（比PC纤维薄100倍），这是生物医学应用的理想选择。 BC在湿态下具有特殊的机械特性，具有类似于软组织的应力应变行为。 BC薄膜在含水量为99％的情况下，断裂应力约为2times;106Pa，。由于它超细的纳米纤维结构，干燥的BC同样具有特殊的机械性能。单根BC纤维的拉伸强度几乎与凯夫拉纤维/钢相当，使其成为需要高机械性能的适用材料。 BC已经被证明具有优于常规敷料的性能，即易于伤口检查（由于透明度），减少感染和伤口疼痛，改善渗出物保留性，减少愈合时间，依附伤口的牢固性，以及上皮长成后易于去除。

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BC与细胞生长和增殖的细胞外基质性质相似（Petersen和Gatenholm，2011）。 BC具有许多其他优越的特性，这使其成为各种生物医药，制药和工业应用的理想候选材料。在一些生物医学应用中，可降解的支架是优选的，由此常常被天然组织替代，例如骨骼，皮肤和伤口愈合（Petersen和Gatenholm，2011）。 BC作为植入物，由于缺乏降解酶即纤维素酶（Petersen和Gatenholm，2011），几乎不被人体生物降解。人体中BC的缓慢降解（Czaja et al。，2007）可能归因于纤维素链的自发地，非酶水解，尽管这仍然是一个有争议的问题。然而，研究人员已经尝试通过氧化对纤维素进行改性（Laurence，Bareille，Baquey，＆Fricain，2005; Petersen和Gatenholm，2011; Singh，Ray，Verma，＆Guha，1979），使BC生物降解，制备了BC与纤维素酶（Hu＆Catchmark，2011a，2011b），并通过转基因菌株将NAcG原位纳入 BC（Yadav等，2010）。无害的降解产物，即葡萄糖能达到生物可再吸收的目的，使BC和其复合材料成为在许多伤口敷料和组织工程应用中的理想材料。 BC的内毒素含量可以忽略不计，并已获得食品和药物管理局（FDA）批准，由Xylos Co.用作MTATMSurgical Sheet，Xylosreg;VesselGuard，Xylosreg;多孔外科手术网和SecurianTM组织加固基质（Petersen和Gatenholm，2011）。

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与常规接枝材料（如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET））和膨胀聚四氟乙烯（ePTFE）（Finket 等，2011）相比，BC显示出更高的补体活性参数，但是需要系统研究BC的作用补体激活和免疫反应，因为这些研究领域没有相关报道。人血浆中的血栓形成研究显示，与临床上可获得的材料（如Dacronreg;和Gore-Texreg;）相比，BC引起较慢的凝血。 BC也没有皮肤刺激的潜力（Almeida等，2014）。

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用BC复合材料处理的伤口在长时间内显示出适当的水分含量，并且在大鼠实验中比Tegaderm治疗的那些更快地上皮化和再生（Lin，Lien，Yeh，Yu，＆Hsu，2013）。与常规纱布相比，Wistar大鼠的皮肤伤口显示更快的恢复和较少的炎症反应（Li et al。，2015）。

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类似地，与市售的塞罗仿凡士林纱布纱布（Solway，Clark，＆Levinson，2011）相比，用BC处理的糖尿病足部伤口显示较短的上皮化时间。与ePTFE（Lei tao，Gupta，Silva，Reviakiftne，＆Gama，2013）相比，BC及其复合材料具有良好的血液相容性（低反应器-II和血小板激活）。另外，BC纳米复合材料具有更接近天然组织的可控压缩机械性能，如关节软骨，猪心脏瓣膜（Mohammadi，2011），兔硬脑膜（Liuacute;zhegrave;nliacute;n，Liuacute;xiaozhigrave;，Jimacr;angZhongmin，＆Zhangchaacute;ozhegrave;ng，2011）和猪半月板（Bodin，Concaro，Brittberg，＆Gatenholm，2007）。 BC表现出比牙科应用的纸点更好的期望性能（Yoshino等，2013）。在生物传感器应用中，基于BC的设备比商业PVC基电极（Badr，Abdel-Sattar，＆Keshk，2015）具有更少的血栓形成作用，并且比商业的Cuprophanreg;膜更稳定（Eisele，Ammon，Kindervater，Grouml;be， Gouml;pel，1994）。这些特征在下面各节中详细讨论。一些研究已经将BC和BC-基复合材料确认为用于细胞接种的生物相容性支架。

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几项研究已将BC和BC基复合材料确认为用于细胞接种的生物相容性支架。已经表明，不同的人细胞，如平滑肌细胞（SMC）（Petersen和Gatenholm，2011），软骨细胞（Svensson等，2005），成纤维细胞，骨形成成骨细胞（Chen等，2009），人脐带血内皮细胞（Jeong等，2010），中国仓鼠卵巢细胞，小鼠胚胎成纤维细胞3T3细胞（Moreira等人，2009）和人胚胎肾（HEK）细胞（Grande，Torres，Gomez，＆Ba〜noacute;，2009）可以在BC的存在下生长和增殖。此外，Helenius等人（2006）证明了BC在大鼠中的皮下植入。在显微镜下，植入12周后没有巨噬细胞细胞或纤维化胶囊，这表明没有异物反应。此外，在植入部位周围没有发现肿胀，发红症渗出。 BASYCreg;Pros论文提到5只小鼠和8只中的7只猪分别表明在一年和90天的时间内，分别具有三个不同层的上皮化和发育，即天然血液的特征（Schumann 等，2009）。 BC基生物材料的生物相容性和无毒性已经在下面的其他部分进行了详细的讨论。为了结合其他特性，如抗细菌活性，伤口愈合能力，改善细胞粘附和增殖，更均匀的细胞分布，增强的机械性能，良好的生物相容性和仿生能力，基于BC的复合材料已被引入，包括基质或增强材料（Shah，Ul-Islam，Khattak＆amp; Park，2013; Torres，Commeaux，＆Troncoso，2012）。在这种情况下，BC作为用于容纳各种材料的基质。

考虑到BC的上述专有属性，本综述文章的目的是提供广泛的概述基于BC的复合材料在生物医药和制药领域应用的趋势。

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BC有从传统的纸张和食品到高级药物递送和组织工程的广泛的应用范围。例如，在食物中，BC传统上被用作被称为“nata de coco”的菲律宾甜点（Budhiono等人，1999; Ng＆Shyu，2004）。在该制备中，BC由椰子水的发酵合成并切成小块并浸入糖浆中（Iguchi等人，2000; Klemm，Heublein，Fink，＆Bohn，2005; Klemm等人，2006）。 BC也作为食品行业的终止剂，胶凝剂，稳定剂和增稠剂（Shi，Zhang，Phillips，＆Yang，2014）。 BC已经被用于酶（Wu和Lia，2008; Wu，Lia，＆Ho，2013），细菌细胞（Rezaee，Godini，＆Bakhtou，2008）和真菌（Tonand Le，2011）的固化。此外，BC的这种生物材料的机械性能是人体组织工程中的支架的理想材料（Nimeskern等，2013; Svensson等，2005），可用于骨（Zimmermann，LeBlanc，Sheets，Fox，＆Gatenholm ，2011），心脏瓣膜假体（Millon和Wan，2006），人造血管（Klemm，Schumann，Udhardt，Marsch，2001; Wan等，2011），角膜（Wang，Gao，Zhang，＆Wan，2010 ），牙根管治疗（Yoshino等，2013）和皮肤组织修复（Fu等，2012）。 BC是一种非过敏性生物聚合物，因此已被用于化妆品中作为天然面部擦洗（Hasan，Biak，＆Kamarudin，2012），用于治疗干性皮肤的面膜（Amnuaikit，Chusuit，Raknam，＆Boonme，2011）和作为清洁剂中的结构成分（Heath，Coffindaffer，Kyte，Smith，＆McConaughy，2012）。

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上述研究为各种领域的BC使用提供了坚实的基础; 然而，为了使生物应用更有效，各种BC基纳米复合材料已经被设计出来并在临床前的水平得到批准（Hu等，2014）。

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合成的可植入生物材料，如聚合物，陶瓷和金属，提供了许多优于同种异体移植物和自体移植治疗骨缺损的性能（Shu，Liu，Palumbo，Luo，＆Prestwich，2004）。然而，作为组织工程支架的天然材料的实际应用是主要的问题，因为这些材料必须表现出高的生物相容性，生物可降解性，化学功能性，并且必须相当便宜（Markovic，Karadzic，Jokanovic，Vukovic，＆Vucic，2016） 。生物材料是一种药理学和系统惰性的，被设计用于并入或植入在活体组织或系统中的物质（Rogel，Qiu＆Ameer，2008）。它可以作为细胞的维持和增长的支架，也可以帮助组织再生（Kroeze，Helder，Govaert，＆Smit，2009）。

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深入研究表明，由于其无毒性和生物相容性质，生物材料可作为骨组织工程（BTE）移植物的替代物（Ramirez，2010）。由羟基磷灰石（HAp）矿化的胶原蛋白构成骨基质的主要部分（Petersen和Gatenholm，2011）。引导骨再生（GBR）是一种医学实践，通过使用骨促进填料和膜片促进骨组织的生物生长。作为类胶原材料，BC纤维被用作生物模拟HAp生长的基础，其最终目标是制备用于GBR的填充材料（DeMello，2012）。 BC纤维用磷酸磷酸化并用钙（Ca 2）预处理用于HAp的成核。SBF增强了HA的生长。

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在另一项研究中，显示管状（T形）BC是BTE的天然纳米尺度纤维状水凝胶支架。冷冻干燥的T型BC及其复合材料表现出整齐的形态特征（Favi，2014）。此外，它与马的骨髓间充质干细胞（EqMSCs）细胞相容。 T型BC支架及其复合材料都支持EqMSCs粘附，增殖和成骨分化。从这项研究得出结论，矿化的多孔和氧化的T形BC支架具有潜力作为骨再生的支架。类似地，BC-HAp纳米复合材料支架采用生物模拟方法制备，并研究了人类骨髓来源的基质细胞（hBMSC）在这些纳米复合材料上的分化和增殖（Fang，Wan，Tang，Gao，＆Dai，2009）。与BC相比，BC-HAp纳米复合材料上的hBMSC显示出更高的附着力，增殖和分化。实时反转录聚合酶链反应数据表明，纳米复合材料组中参与骨形成和再生的分子的表达比在BC中更好。在不存在和存在成骨补充剂（地塞米松，甘油磷酸盐和磷酸盐）的情况下，在纳米复合材料培养的hBMSC环境中，碱性磷酸酶（ALP），骨涎蛋白，骨钙素和骨桥蛋白的活性和表达均高于BC中。BC-HAp纳米复合材料支架显示出体外生物相容性，并有潜力在BTE中使用。 因此，所有上述研究已经证明，基于BC的可生物降解的支架具有优异的GBR潜力。

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尽管全面关节置换术被认可用于治疗关节软骨退变，由于骨质溶解和磨损引起的组分松动都会影响这些特殊假体的耐久性（Dattani，2007）。由于性质相似，BC及其复合材料已被研究作为软骨的替代品（Petersen和Gatenholm，2011）。在本文中，通过向PVA中加入不到1％的BC并将其暴露于热循环中进行合成了由PVA和BC纳米纤维组成的纳米复合材料（Millon，Oates，＆Wan，2009）。研究了制备的BC-PVA复合材料作为可能的关节软骨替代材料。 BC-PVA纳

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