專利名稱：動態(tài)制備異型空腔細菌纖維素材料的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
動態(tài)制備異型空腔細菌纖維素材料的裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型屬生物材料生產(chǎn)設(shè)備領(lǐng)域，特別是涉及一種動態(tài)制備異型空腔細菌 纖維素材料的裝置。
背景技術(shù)：
[0002]細菌纖維素(Bacterial Cellulose，簡稱BC)是一類由微生物產(chǎn)生的純纖維素。細菌纖維素和植物纖維一樣都是由β-D-葡萄糖通過β-1，4-葡萄糖苷鍵結(jié)合成的直鏈， 直鏈間彼此平行，不呈螺旋構(gòu)象，無分支結(jié)構(gòu)，又稱為β_1，4-葡聚糖。細菌纖維素由 于具有獨特的生物親和性、生物相容性和無過敏反應(yīng)，以及高的持水性、聚合度、結(jié)晶 度，良好的三維納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、高的張力和強度，尤其是良好的機械韌性，因此在 人工血管、組織工程支架、人工皮膚以及治療皮膚損傷等方面具有廣泛的用途，是國際 生物醫(yī)用材料研究的熱點之一。[0003]目前細菌纖維素材料的制備一股采用常規(guī)靜置培養(yǎng)法，獲得的是一張纖維素 膜。用常規(guī)液體深層槳葉垂直攪拌技術(shù)會引起木醋桿菌的變異退化，導致其不再合成纖 維素，而目前常用的較少引起菌種退化的動態(tài)發(fā)酵技術(shù)(在氣升式發(fā)酵罐中)僅能制備顆 粒狀的細菌纖維素材料，由于纖維素可溶于某些化學試劑，因此很早就有人希望將細菌 纖維素溶液灌注模具來“鑄造”有形狀的空腔生物材料。然而效果卻并不理想，所獲得 的纖維素產(chǎn)品不具有原細菌纖維素的優(yōu)良特性，這可能是由于它的物理結(jié)構(gòu)被改變而導 致性能劣化。由于木醋桿菌合成纖維素是一個耗氧的次級代謝過程，纖維素易形成于空 氣與培養(yǎng)液的交界處，因此氧氣是纖維素形成的重要因素。已有的研究表明，只要在靜 置發(fā)酵液中提供表面透氧性能良好、具有一定形狀的模具，在模具表面就可以形成該形 狀的纖維素膜，這樣利用細菌在線發(fā)酵制備有形生物醫(yī)用材料就成為可能。[0004]首次利用該原理成功制備有形狀的細菌纖維素產(chǎn)品是一個手套形狀的人工皮膚 (UK Patent 12,169,543 ； White and Brown, 1989)。該技術(shù)是利用能透氧氣的手形微型織 造物(microwoven textiles)作為模具，靜態(tài)條件下培養(yǎng)。1990和1991年日本人Yamanaka 根據(jù)同樣的原理，利用一個能透氧的空腔圓管，如玻璃紙、特富龍、硅膠、陶瓷等制 作的模具，通過注入含活細菌的培養(yǎng)液在靜態(tài)發(fā)酵條件下制備人工血管獲得了成功(EP PatentO,396,344 ； JP Patent 3,272,772)。他以成年雜種狗為實驗對象，將制備好的BC管材 料植入到大動脈和頸靜脈血管中，發(fā)現(xiàn)雖然在血管縫合處以及BC管內(nèi)壁有輕微的血栓吸 附，但是BC管始終保持良好的通暢度。2001和2003年德國Klemm等人將一個內(nèi)部是 玻璃圓柱而外部是玻璃圓管組成的模具浸入細菌培養(yǎng)液中，通過靜態(tài)發(fā)酵制備成功小直 徑人工血管(1 3mm內(nèi)徑)(商品名為BASYC)，并經(jīng)老鼠動物實驗證明該人工血管抗 血栓效果很好(WO Patent 0,161,026，US Patent 2,003,013,163)。大白鼠沒有經(jīng)任何抗凝 藥物處理，觀察到頸動脈-BC管復(fù)合體被結(jié)締組織包裹，上面布滿類似血管滋養(yǎng)管的小 血管，BC管完全被活體組織包裹沒有任何排斥反應(yīng)。所有植入的BC管在手術(shù)后都保持 100%的暢通率，而且沒有血栓凝結(jié)或者組織增生的現(xiàn)象。由此可見，中空細菌纖維素管是制備< 6mm人工血管的良好材料。此外，該空腔纖維管還可以作為氣管、輸尿管、軟 骨支架、覆蓋神經(jīng)纖維的護套，以及某些空腔器官的替代物等(WO Patent 0,161,0 ; US Patent 2,003,013,163)。2005年美國和瑞典國際合作小組的Svensson等人報道了以細菌纖 維素作為軟骨組織工程支架的實驗結(jié)果，并指出效果較好。2006年Backdahl等人通過研 究細菌纖維素的機械性能以及與人平滑肌細胞的相互作用指出該材料今后可以用于組織 工程血管。以上研究證明了凝膠狀的管狀BC材料以其高的機械強度、大的持水力、十 分規(guī)則的內(nèi)表面和極好的生物相容性等特點，在顯微外科手術(shù)中作為血管組織替代物具 有巨大的應(yīng)用前景。[0005]BC除了用于人造血管等醫(yī)用材料外，還可以用于人工皮膚等傷科敷料。微生物 纖維素獨特三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部有很多“孔道”，有良好的透氣、透水性能，能吸收60 700倍于其干重的水份，這些水分是以自由水的形式存在。使用BC作為傷口敷料能夠 迅速吸收傷口血液和組織液，防止傷口感染化膿，又能為慢性傷口附近的組織再生提供 濕潤的環(huán)境促進傷口愈合和減輕疼痛。同時纖維素不會和傷口粘連，不會造成二次傷 害，剝離時也不會有殘留。首次利用能透氧的手形微型織造物為模具靜態(tài)培養(yǎng)成功制備 的手套形狀的人工皮膚在治療大面積燒傷/燙傷的手部皮膚時具有良好效果。自1987 年以來，巴西連續(xù)報道了 400多例應(yīng)用細菌纖維素膜對燒傷、燙傷、褥瘡、凍傷、皮膚 移植和慢性皮膚潰瘍等治療效果良好的實例?，F(xiàn)已有用其制成的人工皮膚(商品名為 BioFill),紗布、繃帶和“創(chuàng)口貼”等傷科敷料商品上市。另外一種叫做Xcell的BC創(chuàng) 傷敷料也被用來促進慢性創(chuàng)傷的愈合，同樣也表現(xiàn)出很好的治療效果。研究顯示這種BC 敷料在慢性創(chuàng)傷的應(yīng)用方面較之其他材料的敷料能夠更有效地促進傷口愈合。與其它人 工皮膚和傷科敷料相比，該膜的主要特點是在潮濕情況下機械強度高、對液、氣及電解 物有良好的通透性、與皮膚相容性好，無刺激性，可有效緩解疼痛，防止細菌的感染和 吸收傷口滲出的液體，促進傷口的快速愈合，有利于皮膚組織生長。此膜作為緩釋藥物 的載體攜帶各種藥物，利于皮膚表面給藥，促使創(chuàng)面的愈合和康復(fù)。因此，該纖維素作 為一種極具應(yīng)用潛力的生物材料具有廣闊的市場應(yīng)用前景。[0006]但現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備成本較高且生產(chǎn)效率不高。實用新型內(nèi)容[0007]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種動態(tài)制備異型空腔細菌纖維素材料 的裝置，以提高生產(chǎn)效率，促進工業(yè)化生產(chǎn)。[0008]本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種動態(tài)制備異型空 腔細菌纖維素材料的裝置，一種動態(tài)制備異型空腔細菌纖維素材料的裝置，包括溫度計 口，酸液堿液添加口，把手，通氣口，pH計口，營養(yǎng)補料口，轉(zhuǎn)軸，發(fā)酵罐，馬達，水 浴裝置，模具，其特征是所述的轉(zhuǎn)軸一端連接固定馬達輸出軸，轉(zhuǎn)軸另一端從發(fā)酵罐 一端面中心位置伸入發(fā)酵罐內(nèi)；在發(fā)酵罐內(nèi)的轉(zhuǎn)軸上固定有模具。[0009]所述的轉(zhuǎn)軸在發(fā)酵罐內(nèi)腔安裝固定有轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)軸通過轉(zhuǎn)盤圓周邊緣對稱固定有2 個以上模具。[0010]所述的模具為棍形或手套形模具。[0011]所述的模具為手套形模具，其中，手套形模為依次在轉(zhuǎn)軸上穿入2個以上手套4形模具。所述模具的橫截面形狀為圓形、方形、橢圓形、三角形、心形或五角星形。[0012]所述的模具為實心或者中空結(jié)構(gòu)。[0013]所述的溫度計口、酸液堿液添加口、pH計口、營養(yǎng)補料口、通氣口、把手均位 于發(fā)酵罐的外表面上。[0014]所述的發(fā)酵罐為任意形狀。[0015]所述的模具的材料為玻璃、陶瓷、紫砂、金屬、硅膠、木材、纖維素、橡膠、 滌綸、尼龍(Nylon)、奧綸(Orion)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯乙醇(Ivalon)、滌綸 (Dacron),特氟綸CTeflon)、膨體聚四氟乙烯(ePTFE)和真絲等高分子材料以及塑料等無 機有機材料的一種或幾種組合。[0016]本實用新型的裝置由一個水平攪拌反應(yīng)器和固定模具(或者在轉(zhuǎn)盤上固定若干 模具)的轉(zhuǎn)軸組成，形成了一個水平擾動的生物反應(yīng)器；通過模具或者轉(zhuǎn)盤上模具圍繞 著轉(zhuǎn)軸軸心的轉(zhuǎn)動，使得模具纏繞發(fā)酵液中的細菌纖維素而在模具表面形成一定形狀的 中空細菌纖維素材料。[0017]有益效果[0018]本實用新型優(yōu)點如下[0019](1)制備的管狀或手形等中空異形BC材料相較于其他物理化學的方法，保留了 其獨特的三維網(wǎng)狀納米結(jié)構(gòu)、高化學純度、高結(jié)晶度、高聚合度、高強度以及良好的生 物相容性等優(yōu)點；且制備裝置簡便，成本低廉，生產(chǎn)效率高，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。[0020](2)目前已有的BC中空異形材料的制備技術(shù)一股采用單層透氧模具制備，效率 低且外表面或者內(nèi)表面粗糙，本實用新型利用細菌纖維素在液體中易纏繞的特性，在水 平擾動的生物反應(yīng)器中，通過轉(zhuǎn)盤上模具圍繞著轉(zhuǎn)軸軸心的轉(zhuǎn)動，使得模具在液體培養(yǎng) 基中進行緩慢且循環(huán)浸沒的擾動培養(yǎng)方式，纏繞和吸附發(fā)酵液中的細菌纖維素而在模具 表面形成一定形狀的中空細菌纖維素材料。[0021]C3)由于是亞靜態(tài)培養(yǎng)(轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速很緩慢，<20rpm，菌體在亞靜態(tài)的環(huán)境下 生長)，可以使模具在液體培養(yǎng)基和含氧介質(zhì)中不停地交替，既給液體培養(yǎng)基提供足夠的 溶解氧，促進液體中菌體的快速繁殖和產(chǎn)生纖維素，從而利于模具的纏繞；又有利于已 固定在模具上的纖維素膜中的菌體可以接觸到營養(yǎng)，同時使得菌體充分接觸氧，從而促 使菌體大量繁殖和分泌纖維素，高效制備細菌纖維素材料。多種因素促使生產(chǎn)效率大大 提升。[0022](4)本實用新型制備的管狀或手形等中空異形BC材料的長度、內(nèi)徑、厚度等尺 寸和形狀均不受限制，可以人工調(diào)控，而且材料內(nèi)外均具有光滑平整的表面。[0023]( 發(fā)酵裝置的模具可拆卸，重復(fù)使用，所制備的各種異形BC材料可以在表面 毫無損傷的情況下剝離出來。[0024](6)為了進一步提高異形BC材料的制備效率，在水平生物反應(yīng)器中可配備多個 模具以提高產(chǎn)量。


[0025]圖1為制備管狀細菌纖維素材料的發(fā)酵裝置示意圖。[0026]圖2為制備手形細菌纖維素材料的發(fā)酵裝置示意圖。
具體實施方式
[0027]下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本實用新型。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說 明本實用新型而不用于限制本實用新型的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本實用新型講授 的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本實用新型作各種改動或修改，這些等價形式同樣 落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。[0028]實施例1[0029]如圖1所示，一種動態(tài)制備異型空腔細菌纖維素材料的裝置，一種簡便高效動 態(tài)生產(chǎn)異型空腔細菌纖維素材料的發(fā)酵裝置，包括溫度計口 1，酸液堿液添加口 2，把手 3，通氣口 4，pH計口 5，營養(yǎng)補料口 6，轉(zhuǎn)軸8，發(fā)酵罐9，馬達10，水浴裝置11，模 具，其特征是所述的轉(zhuǎn)軸8—端連接固定馬達10輸出軸，轉(zhuǎn)軸8另一端從發(fā)酵罐9 一 端面中心位置伸入發(fā)酵罐9內(nèi)；在發(fā)酵罐9內(nèi)的轉(zhuǎn)軸8上固定有模具。[0030]模具12的材料選自玻璃、陶瓷、紫砂、金屬、硅膠、木材、纖維素、橡膠、滌 綸、尼龍、奧綸、聚乙烯醇、聚乙烯乙醇、滌綸、特氟綸、膨體聚四氟乙烯、真絲、塑 料中的一種或幾種組合。[0031]轉(zhuǎn)軸8在發(fā)酵罐9內(nèi)腔靠近發(fā)酵罐9 一端面一側(cè)安裝固定有轉(zhuǎn)盤7，轉(zhuǎn)軸8通過 轉(zhuǎn)盤7圓周邊緣對稱固定有棍形管形模具12，且棍形管形模具12為實心或中空結(jié)構(gòu)。[0032]溫度計口 1、酸液堿液添加口 2、pH計口 5、營養(yǎng)補料口 6、通氣口 4、把手3均 位于發(fā)酵罐9的外表面上。[0033]棍形管形模具12的橫截面形狀為圓形、方形、橢圓形、三角形、心形或五角星 形。[0034]使用時，通過將含生產(chǎn)菌株的液體培養(yǎng)基轉(zhuǎn)移到本實用新型的發(fā)酵裝置中，然 后旋轉(zhuǎn)模具以3-20rpm的轉(zhuǎn)速進行擾動培養(yǎng)，即可收獲空腔異形纖維素材料。[0035]實施例2[0036]如圖2所示，本實施例與實施例1的區(qū)別僅在于[0037](1)模具的形狀不同，本實施例中模具為手套形模具12，且手套形模具12為實 心或中空結(jié)構(gòu)，手套形模具12的橫截面形狀為圓形、方形、橢圓形、三角形、心形或五 角星形；[0038](2)本實施例的裝置中不需要轉(zhuǎn)盤對手套形模具進行固定，只需在轉(zhuǎn)軸上依次穿 入1個以上手套形模具即可。[0039]實施例3[0040]本實施例與實施例1的區(qū)別僅在于[0041]模具的形狀不同，本實施例中模具為手套形模具12，且轉(zhuǎn)軸8通過轉(zhuǎn)盤7圓周 邊緣對稱固定有2個以上手套形模具；手套形模具12為實心或中空結(jié)構(gòu)，手套形模具12 的橫截面形狀為圓形、方形、橢圓形、三角形、心形或五角星形。
權(quán)利要求1.一種動態(tài)制備異型空腔細菌纖維素材料的裝置，包括溫度計口(1)，酸液堿液添加 口 0)，把手⑶，通氣口 0)，pH計口(5)，營養(yǎng)補料口(6)，轉(zhuǎn)軸(8)，發(fā)酵罐(9)， 馬達(10)，水浴裝置(11)，模具(1 ，其特征是所述的轉(zhuǎn)軸(8) —端連接固定馬達 (10)輸出軸，轉(zhuǎn)軸(8)另一端從發(fā)酵罐(9) 一端面中心位置伸入發(fā)酵罐(9)內(nèi)；在發(fā)酵 罐(9)內(nèi)的轉(zhuǎn)軸⑶上固定有模具。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動態(tài)制備異型空腔細菌纖維素材料的裝置，其特征是 所述的轉(zhuǎn)軸(8)在發(fā)酵罐(9)內(nèi)腔安裝固定有轉(zhuǎn)盤(7)，轉(zhuǎn)軸(8)通過轉(zhuǎn)盤(7)圓周邊緣 對稱固定有2個以上模具(12)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種動態(tài)制備異型空腔細菌纖維素材料的裝置，其特征是 所述的模具(1 為棍形或手套形模具。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動態(tài)制備異型空腔細菌纖維素材料的裝置，其特征是 所述的模具(1 為手套形模具，其中手套形模具為依次在轉(zhuǎn)軸(8)上穿入1個以上手套 形模具。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動態(tài)制備異型空腔細菌纖維素材料的裝置，其特征是 所述模具(1 的橫截面形狀為圓形、方形、橢圓形、三角形、心形或五角星形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任意一項所述的一種動態(tài)制備異型空腔細菌纖維素材料的裝 置，其特征是所述的模具(12)為實心或者中空結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動態(tài)制備異型空腔細菌纖維素材料的裝置，其特征是 所述的溫度計口(1)、酸液堿液添加口 O)、pH計口(5)、營養(yǎng)補料口(6)、通氣口 0)、 把手( 均位于發(fā)酵罐(9)的外表面上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動態(tài)制備異型空腔細菌纖維素材料的裝置，其特征在 于所述的發(fā)酵罐(9)為任意形狀。
專利摘要本實用新型涉及一種動態(tài)制備異型空腔細菌纖維素材料的裝置，包括溫度計口，酸液堿液添加口，把手，通氣口，pH計口，營養(yǎng)補料口，轉(zhuǎn)軸，發(fā)酵罐，馬達，水浴裝置，模具，所述的轉(zhuǎn)軸一端連接固定馬達輸出軸，轉(zhuǎn)軸另一端從發(fā)酵罐一端面中心位置伸入發(fā)酵罐內(nèi)；在發(fā)酵罐內(nèi)的轉(zhuǎn)軸上固定有模具。該裝置通過模具或者轉(zhuǎn)盤上模具圍繞著轉(zhuǎn)軸軸心的轉(zhuǎn)動，使得模具纏繞發(fā)酵液中的細菌纖維素而在模具表面形成一定形狀的中空細菌纖維素材料。本實用新型裝置簡便，成本低廉，生產(chǎn)效率高，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號C12M1/00GK201809342SQ20102051466
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月2日
發(fā)明者楊光, 楊雪霞, 洪楓 申請人:東華大學