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详解细菌纤维素的性质和应用
发布时间发布时间:2021-02-22 20:43

  细菌纤维素(Bacterial cellulose,简称BC)是由微生物发酵合成的多孔性网状纳米级生物高分子聚合物,因其由细菌合成而命名为细菌纤维素。它由独特的丝状纤维组成,纤维直径在0.01~0.10μm 之间,比植物纤维素(10μm)小2~3 个数量级,每一丝状纤维由一定数量的超微纤维组成网状结构,与植物纤维素的主要差别在于其不含有半纤维素、木质素等。作为一种新型纳米材料,细菌纤维素已应用于纺织、医用材料、食品等各个领域,现已成为国际的研究热点。

  细菌纤维素为三维网状结构,中间形成很多“孔道”,并且分子内存有大量的亲水基团,因此具有良好的透气、透水和持水性能。根据外界条件的不同,它能吸收比自身干重大60~700 倍的水分。

  由于细菌纤维素是由微生物代谢产生的,因此其具有良好的生物相容性。此外,因为细菌纤维素是一种纯度较高的纤维素,更易与纤维素降解酶发生作用,同时在酸性及微生物存在的自然条件下也可以直接降解,所以具有良好的生物可降解性。

  细菌纤维素是一种纯度较高的纤维素,与植物纤维素相比不含木质素、果胶、半纤维素和其他细胞壁成分,纤维素含量高达95%以上,提纯过程简单。细菌纤维素的结晶度高达95%以上,高于天然植物纤维。

  细菌纤维素杨氏模量测量值高达15GPa,但理论值是其10倍,这一性能满足了其作为医用组织器官、医用敷料及其他产品的基本要求。

  生物合成细菌纤维素时具有可调控性,可以改变菌体的生长空间,改变微纤丝的分布进而得到理想的模型形状。同时,当采用不同培养条件时,可以制备出形状、大小、厚度和性质各不相同的细菌纤维素。

  细菌纤维素的分子结构类似于植物纤维素,并具有优于植物纤维素的高拉伸强度、高的孔隙率和纳米纤维状结构等独特性质,因此可改善原产品的不足或者制备出性能更优的纺织品。利用细菌纤维素代替植物纤维素具有巨大的经济价值,不仅可以充分利用工业废弃物,减少污染,而且可以缩短纤维素的生长周期,提高纤维素产量,实现纤维素的工业化生产。

  细菌纤维素具有高持水性、透气性好、良好的生物相容性及较好的力学性能,在医用敷料产业具有广阔的应用前景。研究显示:其做绷带、纱布和创可贴等,可减少对伤口的刺激,有效缓解疼痛,加快伤口愈合等优良性质。由于其本身无抗菌效果,也可以通过复合技术对细菌纤维素进行修饰,赋予其良好的抗菌性能,使其在医用敷料方面有更好的应用前景。

  此外,由于细菌纤维素具有独特的纤维网状结构、高孔隙率、高机械强度和高弹性模量等性质,其也是上皮细胞生长的理想支架和人造皮肤、动脉静脉血管、骨组织支架的理想替代材料。

  因纤维素高反射率、弹性和尺寸稳定性使其适合作为信息显示的媒介,如用细菌纤维素制作“电子纸”进而制成电子液晶屏,可以潜在地用于电子传感器、信息储存、电子屏蔽涂层及防伪等领域。此外,细菌纤维素的纳米结构、高孔隙率也使其适合作为基质制备吸附和运输性能的质子导电膜和有机发光二极管,可应用于生物传感器、生物燃料电池等领域。

  除了用作高附加值的医用材料、多功能纺织品、功能性食品和电磁性材料,细菌纤维素在环境工业领域,如应用细菌纤维素膜吸附或者过滤去除废水中的诸多重金属离子等方面的研究也取得显著成效。由于其高杨氏模量及形状维持能力,将来也可以用在建材方面,增加稳定性。

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