1. 研究目的与意义
细菌纤维素是一种由细菌产生的具有生物可降解性的天然高分子材料,是近年来国内外生物材料研究的热点之一。细菌纤维素本身不具有抗菌性能,不能阻止伤口的细菌感染。二氧化钛是目前最常见的光催化型抗菌剂，其颜色稳定性更好,高温下不变色、不分解,价格低廉,资源丰富。本课题提出以富含羟基的细菌纤维素为载体负载二氧化钛纳米颗粒制备细菌纤维素-二氧化钛纳米复合材料并对其抗菌性能进行评估，将有望获得具有高效保湿抗菌功能的理想医用创伤敷料。
2. 国内外研究现状分析
有关细菌纤维素（BC）的研究最先由Brown[1]于1886年发现并报道。在醋酸发酵过程中他观察到培养基表面形成一层凝胶状膜,经进一步分析确定这是由醋酸杆菌发酵产生的一种纤维素物质,将其命名为纤维素薄膜。其后,很多课题组对BC的形成机制做了研究。Hestrin等[2]在1947年第一次详细阐明A.xylinum合成纤维素的机制。19世纪50年代期间,相关学者发表了一系列有关BC的研究论文Schramm等[3]在1954年报道了纤维素形成过程中的影响因素,研究了培养基以及相关抑制剂对其形成的影响,并于1957年研究了合成该纤维素的酶系统;同一个课题组的Elhanan＆Gromet等[4]于1962年研究了纤维素合成过程中的中间产物。同时,菲律宾的研究人员也报道了用菠萝皮和椰子汁发酵生产Nata的方法。但是直到1967年,才由Lapuz等证实Nata实际上是由A.xylinum产生的纯纤维素。关于BC的早期研究有很多是围绕提高Nata产品的最优发酵条件、分离提纯以及高产菌株的筛选等展开的。接下来的十年,研究主要集中在A.xylinum合成纤维素的生物模型机制。1977年Colvin等曾尝试以一种单糖为原料利用纤维素合成酶全生物合成纤维素产品。直到19世纪80年代,人们才渐渐认识到BC是一种具有潜在商业价值的生物材料,因此对A.xylinum的关注逐渐由过去在实验室中研究单纯的生物合成纤维素模型飞跃到大规模工业化生产。在这个飞跃中有两个课题组的研究人员作出了开拓性工作:由索尼公司、味之素公司和日本纺织研究所组成的科研人员致力于利用BC的特殊物理性能制造高强度材料[5];另一个是由Weyerhaeuser和CetusCorp组成的研究小组在深层搅动发酵罐中以A.xylinum为菌株生产BC[6]。到80年代末期,很多有关BC的商业化应用都申请了专利。1992～1993年,Okiyama等报道了实验室大规模培养及通过改进发酵罐的设计生产BC的文章。接下来对BC的研究越来越多,应用范围也更加广泛,相继有做为食品添加剂、纸张粘合剂及滤膜等方面的研究被报道。目前的研究热点主要是将BC应用于高附加值的产品,尤其是生物医用材料上。1990年和1991年日本人Yamanaka[7]首次以该纤维素制备人工血管获得了成功。2001年和2003年Klemn等则以此材料研制成功小直径(1～3mm内径)人工血管。2005年,美国瑞典国际合作小组的Svensson等发现以BC作为软骨组织工程支架效果良好。此外,该中空纤维管还可以作为覆盖神经纤维的护套、气管、输尿管、软骨支架,以及某些中空气管的替代品等。藤岛昭及桥本和仁等发现TiO2具有光催化能力,在光或环境能量作用下TiO2可以迅速分解微生物及其产生的毒素以来光催化型抗菌剂迅速发展起来。可用于光催化型抗菌剂的材主要为n型半导体材料,如TiO2、ZnO、CdS、WO3、SnO2、ZrO2等。其中TiO2是目前最常见的光催化型抗菌剂,尤其是锐钛矿TiO2[8,9]。TiO2抗菌作用的发挥是通过光催化作用进行的,本身并不像其他抗菌剂会随着抗菌剂使用组件消耗而效果慢慢下降,所以光催化型抗菌剂具有持久的抗菌性能。光催化型抗菌无毒、无特殊气味、无刺激性,本身为白色,与纳米银抗菌比较,光催化剂颜色稳定性更好,高温下不变色、不分解,价格低廉,资源丰富,因此光催化型抗菌剂日益成为抗菌材料的研究热点[10]。但是光催化的载体技术是纳米材料应用中一个关键环节的问题,难以在既保证较高的光催化活性又满足特定材料的理化要求的前提下,在不同材料表面均匀牢固地负载光催化剂。因此以矿物纳米孔道材料和微孔材料为基体担载纳米TiO2的光催化研究是光催化材料的发展方向之一[11]。细菌纤维素(BC)是一种由微生物合成的纤维素,具有与植物纤维素相似的结构,但它不含木质素和半纤维素,持水率高,具有由很多纳米尺寸的微纤维组成三维网络结构[12],其天然的精细网络结构为TiO2的负载提供了空间。
3. 研究的基本内容与计划
研究内容：
(1)细菌纤维素-二氧化钛纳米复合材料的制备；(2)利用扫描电镜，红外光谱等分析表征手段对复合材料进行表征；(3)细菌纤维素-二氧化钛纳米复合材料的抗菌性能评估。
研究计划：
4. 研究创新点
细菌纤维素由于具有独特的生物亲和性、生物相容性、生物可降解性、生物适应性和无过敏反应,以及高的持水性和结晶度、良好的纳米纤维网络、高的张力和强度,尤其是良好的机械韧性,因此在组织工程支架、人工血管、人工皮肤以及治疗皮肤损伤等方面具有广泛的用途。TiO2具有光催化能力,在光或环境能量作用下TiO2可以迅速分解微生物及其产生的毒素。抗菌作用的发挥是通过光催化作用进行的,本身并不像其他抗菌剂会随着抗菌剂使用组件消耗而效果慢慢下降,所以光催化型抗菌剂具有持久的抗菌性能。本课题以细菌纤维素为模板,通过调控纤维素的纳微观结构,控制TiO2吸附，纳米TiO2成核及生长行为,为金属纳米粒子的可控制备提供一些有意义的探索。系统研究纳米TiO2参数及细菌纤维素纳微观结构对载纳米TiO2细菌纤维素材料的抗菌长效性的影响规律,为开发具有我国自主知识产权的新型高保湿抗菌医用敷料提供必要的科学依据和技术支持。
