Manufacture of a novel anisotropic bacterial nanocellulose hydrogel membrane by using a rotary drum bioreactor

利用轉鼓生物反應器制備新型各向異性細菌納米纖維素水凝膠膜

來源：Carbohydrate Polymers（2019年，第211卷）

 

論文總結

研究通過設計一種新型30-L水平旋轉鼓式生物反應器，成功生產了各向異性的細菌納米纖維素（BNC）水凝膠膜，并評估了其結構、性能及生產率。以下是對論文的詳細總結。

 

摘要概括

摘要指出，各向異性水凝膠膜在組織工程和生物分離中具有巨大潛力。本研究首次使用新設計的30-L水平旋轉鼓式生物反應器生產了各向異性BNC水凝膠膜，并提高了BNC生產率。與傳統托盤靜態培養相比，旋轉鼓式生物反應器產生的BNC水凝膠膜呈現各向異性形態、更稀疏的網絡、更低的干物質含量（0.16 w/w%）、更厚的纖維直徑和更低的聚合度（但仍比棉花高1.8倍），并具有更高的紫外-可見光透射率，以及各向異性的拉伸性能、更低的楊氏模量（0.23 MPa）和壓縮模量（0.99 kPa）。干BNC和濕BNC的生產率分別提高了1.65倍和3.73倍。該技術不僅能獲得高透明度的各向異性BNC水凝膠膜，還能促進BNC生產率。

 

研究目的

本研究旨在解決以下核心問題：

 

開發一種新型生物反應器技術，生產各向異性的BNC水凝膠膜，以擴展其在生物醫學和材料科學中的應用。

通過旋轉鼓式生物反應器動態培養，改善BNC的形態和性能，如提高透明度和降低機械模量。

提高BNC的生產率和產量，降低生產成本，使BNC更易于商業化。

 

比較旋轉鼓式培養與傳統托盤靜態培養的差異，全面評估BNC的結構、化學組成和物理性能。

 

研究思路

研究采用對比實驗設計：

 

生物反應器設計：設計30-L水平旋轉鼓式生物反應器（Fig. 1A），與傳統托盤靜態培養（Fig. 1a）進行對比。

微生物培養：使用Komagataeibacter xylinus ATCC 23770，在相同培養條件下（30°C，10天）進行培養。

BNC純化與表征：純化BNC水凝膠膜后，使用掃描電子顯微鏡（SEM）分析形態和纖維直徑（Fig. 2）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析化學組成（Fig. 3A）、粘度法測定聚合度（DP）（Fig. 3B）、測量厚度和干物質含量（Table 1A）、紫外-可見分光光度計測量光透射率（Fig. 4C）、萬能試驗機測量拉伸和壓縮性能（Fig. 5, Table 1B和1C）。

過程監測：使用丹麥Unisense氧微傳感器監測溶解氧（DO）（Fig. 6C），并測量pH、殘糖和細菌濃度（Fig. 6）。

 

生產率評估：計算干濕BNC的生產率和產量（Table 2）。

 

測量數據及其研究意義

以下列出關鍵測量數據、其來源（圖/表編號）及研究意義：

 

形態和纖維直徑數據（來源：Fig. 2）

 

數據：SEM圖像顯示旋轉鼓式培養的BNC呈各向異性形態，纖維直徑更大（21-25 nm），而托盤培養的BNC為各向同性且致密。

 

研究意義：各向異性形態源于旋轉鼓的定向作用，有利于應用在需要方向性性能的領域，如組織工程支架。

 

FTIR光譜數據（來源：Fig. 3A）

 

數據：FTIR光譜顯示BNC樣品具有纖維素特征峰（如1158 cm?1的糖苷鍵），無蛋白質殘留峰（如1550 cm?1的酰胺II峰）。

 

研究意義：證實BNC為純纖維素，純化效果好，確保材料生物相容性和應用安全性。

 

聚合度（DP）數據（來源：Fig. 3B）

 

數據：旋轉鼓式培養的BNC的DP為3800，低于托盤培養的6450，但仍比棉花（~2100）高1.8倍。

 

研究意義：DP降低可能與動態培養中的機械擾動有關，但仍保持較高值，適合需要高強度纖維的應用。

 

厚度和干物質含量數據（來源：Table 1A）

 

數據：旋轉鼓式培養的BNC更厚（10.01 mm vs. 5.75 mm），干物質含量更低（0.16% vs. 0.63%）。

 

研究意義：低干物質含量意味著高含水率，使水凝膠更柔軟，適用于傷口敷料和柔性器件。

 

光透射率數據（來源：Fig. 4C）

 

數據：旋轉鼓式培養的BNC在400 nm和760 nm波長下的透射率分別為30%和66%，高于托盤培養的6%和37%。

 

研究意義：高透光性使BNC適合光學應用，如接觸鏡片和光電子設備。

 

拉伸性能數據（來源：Fig. 5A和Table 1B）

 

數據：旋轉鼓式培養的BNC呈現各向異性拉伸性能：沿旋轉方向的拉伸強度為0.23 MPa，沿軸方向僅為0.0017 MPa；楊氏模量分別為0.23 MPa和0.0015 MPa。

 

研究意義：各向異性性能允許定向力學響應，在定制化組織工程中具有潛力。

 

壓縮性能數據（來源：Fig. 5B和Table 1C）

 

數據：旋轉鼓式培養的BNC壓縮模量為0.99 kPa，遠低于托盤培養的13.58 kPa。

 

研究意義：低壓縮模量表明材料非常柔軟，適用于緩沖和襯墊應用。

 

生產率數據（來源：Table 2）

 

數據：旋轉鼓式培養的干BNC生產率為0.15 g/(L·d)，濕BNC為93.5 g/(L·d)，分別比托盤培養提高1.65倍和3.73倍。

 

研究意義：生產率顯著提高，降低了BNC的生產成本，促進大規模應用。

 

溶解氧（DO）數據（來源：Fig. 6C）

 

數據：DO時間曲線顯示旋轉鼓式培養中DO水平更高且更穩定。

 

研究意義：DO監測優化了培養條件，確保細菌生長和纖維素合成效率。

 

研究結論

本研究得出以下核心結論：

 

旋轉鼓式生物反應器成功生產了各向異性BNC水凝膠膜，具有高透光率、低干物質含量和高柔軟性。

各向異性形態和性能源于旋轉鼓的定向作用，使BNC在拉伸和壓縮方面呈現方向依賴性。

生產率顯著提高，干濕BNC生產率分別提高1.65倍和3.73倍，降低了生產成本。

 

該技術為BNC在組織工程、傷口敷料和光電子設備中的應用提供了新材料。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

在本研究中，丹麥Unisense氧微傳感器用于監測培養過程中的溶解氧（DO）濃度，其研究意義主要體現在：

 

實時原位監測：Unisense微傳感器具有高靈敏度（尖端直徑~10 μm），能夠插入培養液或生物膜內部實時測量DO濃度，而不擾動培養環境（方法部分2.5和2.6）。這提供了動態DO數據（Fig. 6C），幫助優化通氣條件和旋轉速度。

過程優化：DO數據顯示旋轉鼓式培養中DO水平更高且穩定（Fig. 6C），這是由于鼓式反應器的旋轉和通氣設計改善了氧傳遞，促進了細菌生長和纖維素合成。這直接貢獻于生產率的提高（Table 2）。

質量控制：DO監測確保了培養條件的一致性，避免了缺氧導致的細菌活性下降或纖維素合成受阻，保證了BNC質量的可重復性。

機制理解：DO數據與細菌濃度和殘糖數據（Fig. 6A、6B、6D）結合，揭示了氧可用性對代謝的影響，支持了動態培養的優勢。

 

技術優勢：Unisense系統的高精度和微創測量使其優于傳統電極，特別適合生物膜和凝膠系統，為生物過程研究提供了可靠工具。

 

總之，丹麥Unisense電極數據不僅是過程監測的關鍵，還通過提供實時DO信息，優化了培養條件，直接促進了BNC生產率的提高和材料性能的改善。沒有這些數據，培養條件的精確控制和機制理解將缺乏依據。