细菌纤维素：一种环境友好的纳米材料
作者：张涛
纳米科学的产生堪称科学史上的一次革命, 纳米科学的发展又为化学、物理学、材料学、生物学及仿生学学科的交叉发展提供了新的机遇。由于纳米材料所具有的独特性质及新规律的发现, 近年来这一领域形成了新的交叉学科研究热点。纳米纤维是直径为1~100纳米，长为直径100倍以上的纤维状物，具有大的比表面、表面易调控（反应活性、亲水性的改良）及易通过复合化赋予新功能等特性。生物技术与纳米技术有机结合所形成的纳米生物技术(nanobiotechnology)，是现代生物工程的重要组成部分，在信息、低能耗、环保和再生医用等新兴产业领域具有广阔的应用前景。以微生物为分子组装的机器，在纳米尺寸范围操纵原子、分子及其集合体，设计并组装出任意花样，由此创制出具有特定功能的新材料，已引起世界各国的高度重视，并成为纳米科学的前沿领域。
众所周知，纤维素是自然界中最丰富且具有生物可降解性的天然高分子材料，是高分子化学诞生和发展阶段的主要研究对象之一。在当今世界面临人口、资源、环境和粮食四大问题的情况下，大力开发取之不尽用之不竭的天然高分子材料造福于人类，具有重要战略意义。
目前人类可通过四种不同的途径获得纤维素，其中两种是天然合成的纤维素，即植物的光合作用合成和微生物合成。另外两个途径是人工合成，即在生物体外由纤维二糖的氟化物经酶催化合成纤维素和由新戊酰衍生物开环聚合生成的葡萄糖化学合成纤维素。经人工合成的纤维素聚合度较低，难以达到自然界中高结晶度、高规则的织态结构。
近三十年来，随着分子生物学的发展和在体外无细胞体系的应用，对自然界中纤维素的生物合成机制已经有了深入的研究，仿生合成纤维素及人工调控微生物的合成过程，成为人工创造“天然生态材料”的重要途径，其广阔的应用前景，使生物合成纤维素成为当今国内外生物材料研究的热点之一。
纤维素的聚集态结构
1842年佩恩（A. Payen）首次发现并证明纤维素为长链状?茁-(1→4)-D-脱水葡萄糖聚合物。
纤维素的聚集态结构可分为有序畴和无序畴，有序畴中又包括结晶区与非晶区。结晶的葡聚糖分子在三维方向上具有高度有序排列的晶格点阵，并且分子排列具有最小能量。现已知道纤维素有四种不同的结晶结构，分别为纤维素Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 和 Ⅳ。纤维素Ⅰ是同质多晶混合物，即三斜晶体Iα和单斜晶体Iβ的混合组成，这是一种亚稳态结构。天然纤维素就是两种晶相 Iα和Iβ的复合物，不同来源的天然纤维素的Iα/Iβ比值是不相同的。纤维素II的晶体结构是由堆积在单斜晶胞内的构象几乎相同的两条反平行链组成，具有最低能量，因而在热力学上是最稳定的。四种结构在相宜条件下可相互转换，不过纤维素II一旦形成就难于再转化为纤维素I 。
除完整的结晶结构外，在纤维素的某些特定方向或区域形成的向列纤维素组成了“有序”但没有结晶的结构，如液晶或向列有序的纤维素（nematic ordered cellulose, NOC）。在无序畴中，分子在三维方向上无规排列，形成无定形区。
细菌纤维素的合成
细菌纤维素（Bacterial cellulose，BC）是指在不同条件下，由醋酸菌属（Acetobacter）、土壤杆菌属（Agrobacterium）、根瘤菌属（Rhizobium）和八叠球菌属（Sarcina）等中的某种微生物合成的纤维素的统称。其中比较典型的是醋酸菌属中的木醋杆菌（Acetobacter xylinum），它具有最高的纤维素生产能力，被确认为研究纤维素合成、结晶过程和结构性质的模型菌株。细菌纤维素的合成是一个通过大量多酶复合体系（纤维素合成酶，cellulose synthase，CS）精确调控的多步反应过程，首先是纤维素前体尿苷二磷酸葡萄糖(uridine diphoglucose, UDPGlu)的合成，然后寡聚CS复合物又称末端复合物(terminal complexe, TC)连续地将吡喃型葡萄糖残基从UDPGlu转移到新生成的多糖链上，形成?茁-(1→4)-D- 葡聚糖链，并穿过外膜分泌到胞外，最后经多个葡聚糖链装配、结晶与组合形成超分子织态结构。
1976年，布朗（R. M. Brown）及其合作者首次描述了纤维素生物合成过程中醋酸菌的运动。25℃下细胞在合成和分泌纤维素微纤维时的移动速率为2.0微米/分，相当于每个细菌每小时把108个葡聚糖分子连接到?茁-(1→4)-D-葡聚糖链上。当亚纤维素聚合成束或带时形成反驱动力，推动细菌朝反方向运动。由细菌合成纤维素是一个低能耗的绿色过程，其以无毒的水溶性D葡萄糖为碳源，通过静态培养在培养基液体与空气界面之间由无病原的醋酸菌生产出纤维素。在纤维素的生物合成过程中，醋酸菌的运动控制了所分泌的微纤维的堆积和排列。通常醋酸菌在培养液中在三维方向的自由运动，形成高度发达的精细网络织态结构。
细菌纤维素纤维的特性
细菌纤维素和植物或海藻产生的天然纤维素具有相同的分子结构单元, 但细菌纤维素纤维却有许多独特的性质。这些性质是：①细菌纤维素与植物纤维素相比无木质素、果胶和半纤维素等伴生产物，具有高结晶度（可达95%，植物纤维素的为65%）和高的聚合度(DP值2 000～8 000)；②超精细网状结构。细菌纤维素纤维是由直径3～4 纳米的微纤组合成40～60 纳米粗的纤维束，并相互交织形成发达的超精细网络结构；③细菌纤维素的弹性模量为一般植物纤维的数倍至十倍以上，并且抗张强度高；④细菌纤维素有很强的持水能力 (water retention values, WRV)。未经干燥的细菌纤维素的WRV值高达1 000％ 以上，冷冻干燥后的持水能力仍超过600％。经100℃干燥后的细菌纤维素在水中的再溶胀能力与棉短绒相当；⑤细菌纤维素有较高的生物相容性、适应性和良好的生物可降解性；⑥细菌纤维素生物合成时的可调控性。
采用不同的培养方法，如静态培养和动态培养，利用醋酸菌可以得到不同高级结构的纤维素。通过调节培养条件，也可得到化学性质有差异的细菌纤维素。例如，在培养液中加入水溶性高分子如羧甲基纤维素、半纤维素、壳聚糖、荧光染料以及葡聚糖内切酶等可获得不同微结构和聚集行为的纤维，而羧甲基纤维素或羧甲基甲壳素的导入使细菌纤维素具有了吸收和交换金属离子的特性。此外，改变不同葡萄糖衍生物碳源，可控制微纤维的纳米尺寸。运用不同的模型，可形成各种形状的功能材料。
细菌纤维素纳米纤维的商业应用
细菌纤维素形成独特的织态结构, 并因“纳米效应”而具有高吸水性和高保水性、对液体和气体的高透过率、高湿态强度、 尤其在湿态下可原位加工成型等特性。高纯度和优异的性能使细菌纤维素纤维可在特殊领域广泛应用。
在医用材料中的应用 由于良好的生物相容性、湿态时高的机械强度、良好的液体和气体透过性以及抑制皮肤感染，细菌纤维素可作为人造皮肤用于伤口的临时包扎。Biofill?誖和Gengiflex?誖就是两个典型的细菌纤维素产品，已广泛用作外科和齿科材料。对于二级和三级烧伤、溃疡等，Biofill?誖已被成功地用作人造皮肤的临时替代品。Gengiflex?誖已用于齿根膜组织的恢复。基于细菌纤维素的原位可塑性设计出的一种新型生物材料BASYC?誖可望在显微外科中用作人造血管。
在食品工业中的应用 由于细菌纤维素具有很强的亲水性、黏稠性和稳定性，可作为食品成型剂、增稠剂、分散剂、抗溶化剂、改善口感作为肠衣和某些食品的骨架，已成为一种新型重要的食品基料和膳食纤维。如传统发酵工艺中，由醋酸菌纯种培养或醋酸菌和其他微生物混合培养，可产生含有丰富纤维素的发酵食品。“Nata de coco”就是用醋酸菌和米粉糖发酵后制成的甜点食品，是日本目前30种颇受欢迎的食品之一。
在造纸工业中的应用 日本在造纸工业中，将醋酸菌纤维素加入纸浆，可提高纸张强度和耐用性，同时解决了废纸回收再利用后，纸纤维强度大为下降的问题。加细菌纤维于普通纸浆可造出高品质特殊用纸。Ajinomoto公司与三菱公司合作开发用于流通货币制造的特级纸，印制的美元质量好、抗水、强度高。用细菌纤维改性的高级书写纸吸墨均匀性、附着性好。由于纳米级超细纤维对物体极强的缠绕结合能力和拉力强度，使细菌纤维机械匀浆后与各种相互不亲和的有机、无机纤维材料混合制造不同形状用途的膜片、无纺布和纸张产品十分牢固。在制造过滤吸附有毒气体的碳纤维板时，加入醋酸菌纤维素，可提高碳纤维板的吸附容量，减少纸中填料的泄漏。
高级音响设备振动膜 醋酸菌纤维素的高纯度、高结晶度、高聚合度及分子高度取向的特性，使其具有优良的力学性能。经热压处理后，杨氏模量可达30吉帕，比有机合成纤维的强度高4倍，可满足当今顶级音响设备声音振动膜材料所需的对声音振动传递快、内耗高的特性要求。日本Sony公司与Ajinomoto公司携手开发了用醋酸菌纤维素制造的超级音响、麦克风和耳机的振动膜，在极宽的频率范围内传递速度高达5 000 米/秒，内耗为 0.04，复制出的音色清晰、宏亮。而目前的普通高级音响铝制振动膜的传递速度为 5 000 米/秒，内耗为 0.002。松木纸振动膜传递速度为500 米/秒，内耗为 0.04。醋酸菌纤维素振动膜的这个优异特性主要来自其极细的高纯度纤维素组成的超密结构，经热压处理制成了具有层状结构的膜，因而形成了更多氢键，使其杨氏模量和机械强度大幅度提高。
细菌纤维素纳米纤维
特异功能材料的设计及发展趋势
在生物合成中，从纳米到微米尺度的结构控制是设计纳米结构功能材料的新方法。通过设计和制备不同图案的模板，以纤维素纳米纤维为建筑原材料, 以醋酸菌为纳米机器人(nano-robot)可组装出各种花样的新功能材料。该类材料经过低能源的生物合成产生，具有规则的结构，并兼有生物相容性和生态相容性，是理想的环境友好材料。
用一种有序的高分子作为模板，在室温下诱导醋酸菌的生物合成过程，可在纳米尺度上控制纤维的排列。由于微生物在分泌时的喷出力与分子的运动方向相反，同时醋酸菌的运动方向与微纤维在同一方向，因而可使这些微纤维沿分子链方向排列，堆积形成有序的三维结构材料。这种模板通过纤维素溶液在饱和水蒸汽下缓慢凝固，控制分子间氢键的形成，然后用水置换得到高度膨润的透明凝胶。经拉伸取向后，形成高度有序但没有结晶的聚集态结构，该结构被称为向列有续的纤维素（NOC）。在NOC模板上，葡萄糖环链平行排列成疏水的表面，而由伸出的C6羟基组成亲水的线型矩阵花样，链与链之间的距离为0.66纳米。当醋酸菌在模板上生产纤维素时，通过羟基与所分泌的微纤维的强相互作用，可控制微生物的运动模式，生成间隔为7～8 纳米，直径为3～4 纳米并规则排列的微纤维。此时，微生物沿着NOC上的分子轨道高速运动（移动速率为4.5微米/分）。由此，以模板为基础平台，由下而上可自动组装成由纤维素纤维编织的具有有序结构的新型三维材料。
木细胞壁是由一种沿树茎方向生长的中空管道结构组成，该构造对维持木材的高力学强度和生物体系水的循环具有重要作用，这种中空管道结构是一种典型的三维蜂窝状框架结构。纤维素是自然界中植物细胞壁的主要成分，目前用三醋酸纤维素为原料，在饱和水蒸汽下经分子自组装已制备出具有孔径为1～100微米的蜂窝状膜材料，脱乙酰化处理后的纤维素蜂窝状膜，与NOC表面具有相似的结构，通过醋酸菌在此模板上可生物合成具有三维蜂窝状结构的人工细胞壁。这种人工细胞壁可作为动物细胞（如肝细胞，骨芽细胞等）的培养器。
细菌纤维素纳米纤维制成的膜、管或片材等形态与其他高分子、有机或无机分子的复合掺杂，可获得各种新的功能材料。由细菌纤维素制成的功能膜材料，其在醇水渗透汽化分离中对三羟醇如丙三醇具有高选择性，而与壳聚糖复合后的膜材料适合于乙醇和水的分离。细菌纤维素与明胶、海藻酸钠和卡拉胶等多糖类形成了高力学强度的双网络水凝胶，其弹性模量和断裂强度达百万数量级，几乎与关节软骨相当。
纳米纤维已广泛作为增强填充剂应用于塑料、橡胶等制品中。在纳米复合材料中，当组分的尺寸小于波长的1/10时无散射产生，可保持光学透过性。用电纺尼龙4,6做增强填充剂时，纤维含量在3.9% 时能获得透明的复合物，但纤维含量进一步升高时将产生光学透过性的显著下降。当细菌纤维素纳米纤维作为工程塑料的增强填充剂时，在纤维含量高达70%时，不仅具有普通工程塑料5倍的高强度，与硅晶相似的低热膨胀系数，而且同时保持高的透光率。利用这种特性可开发出柔性显示屏、精密光学器件配件和汽车或火车车窗等新产品。最近，用细菌纤维素做高解析度动态显示器件的研究，已取得突破性进展，有望作为电子书籍、电子报刊、动态墙纸、可写地图和识字工具的新材料。细菌纤维素对传统纤维素纸的挑战和革新将开辟信息、新闻出版媒体的新天地。
细菌纤维素产业在日、美发达国家已初步形成年产值上亿美元的市场，进入食品、医药、纺织、造纸、化工、采油、选矿等行业。我国在这方面的研究开发尚处于起步阶段，国内迄今尚无一家企业从事细菌纤维素的生产和应用。在世界人口增长与耕地有限的矛盾日益突出，资源日益短缺的情况下，细菌纤维素作为一种用途十分广泛的生物材料，蕴藏着无限商机和美好发展前景。预计在不久的将来，细菌纤维素在中国将会发展成一个大产业，人类几千年来仅能依赖棉、麻等植物获得纤维素的历史将会改变。
（致谢：感谢日本学术振兴会的资助。感谢武汉大学张俐娜教授和周金平博士提供部分资料和有益的帮助。）
[1] Klemm D, Schumann D, Udhart U, Marsch S. Prog Polym Sci, 2001,２６: 1561.
[2] Kondo T, Togawa E, Brown R M, Jr. Biomacromolecules, 2001,２: 1324. [3] 旺达姆 E J，贝特斯 S De. 多糖I-原核生物多糖[M]//斯泰因比歇尔 A (主编). 生物高分子 (第5卷)[M]. 陈代杰，金飞燕, 译. 北京：化学工业出版社，2005.
[4] Kondo T, Nojiri M, Hishikawa Y, Togawa E, Romanovicz D, Brown R M, Jr. Proc Natl Acad Sci, 2002,９９: 14008.
[5] Hesse S， Kondo T. Carbohydr Polym, 2005,６０ : 457.
[6] Tetsuo Kondo. Cellulose Commun, 2005，１２: 52.
[7] Kasai W, Kondo T. Macromol Biosci, 2004,４: 17.
[8] Nakayama A, Kakugo A, Gong J, et al. Adv Funct Mater, 2004, 14: 1124.
[9] Yano H, Sugiyama J, Nakagaito A N, et al. Adv Mater, 2005, 17: 153.
[10] Shah J, Brown R M, Jr. Appl Microbiol Biotechnol, 2005, 66: 352.
