細菌纖維素創面敷料的基礎研究及臨床應用進展

[摘要]細菌纖維素（Bacterial cellulose，BC）是一種天然的生物高聚物，為一種納米材料，它具有很多優良的生物特性，如天然純度高、孔隙率高、吸水性較強以及質地堅韌等。BC在食品、造紙以及生物醫學等很多方面均有廣泛應用，而在創面敷料的應用上也有很大的前景，它能夠控制傷口滲出，為傷口提供促進愈合的潮濕環境。本文主要針對BC的性質，制備原理及作為醫學敷料等方面的應用和相關的敷料研究進展進行綜述，并展望其應用前景。

[關鍵詞]細菌纖維素；傷口愈合；燒傷；生物材料；細菌纖維素復合材料

[中圖分類號]R641" " [文獻標志碼]A" " [文章編號]1008-6455（2025）04-0176-04

Progress in Basic Research and Clinical Application of Bacterial Cellulose Wound Dressing

ZHAO Han1，2， CHEN Fang2， LI Huibin1，2

（ 1.Weifang Medical University， Weifang 261053， Shandong， China; 2. Department of Burn Plastic Surgery and Wound Repair Ward Ⅱ， Linyi City People Hospital， Linyi 276000， Shandong， China ）

Abstract： Bacterial cellulose （BC） is a kind of natural biopolymer， which is a kind of nano-material. It has many excellent biological properties， such as high natural purity， high porosity， strong water absorption and tough texture. BC has been widely used in food， papermaking and biomedicine， and it has a great prospect in the application of wound dressing. It can control wound exudation and provide a moist environment for wound healing. In this paper， the properties， preparation principle and application of BC as medical dressings are introduced， and the research progress of BC dressings is reviewed， and its application prospect is prospected.

Key words： bacterial cellulose; wound healing; burns; biological materials; bacterial cellulose composites

人體最大的器官是皮膚，皮膚可以通過保持水分的方式減少水分蒸發，同時防止外界細菌的入侵來保持人體的正常生理功能，因此皮膚是構成人體三大防線中最基礎的一道[1]。一個人如果遭受極為嚴重的皮膚損傷，那么皮膚的屏障功能就會受到干擾，從而導致大量的外界細菌等微生物入侵，可能導致患者出現嚴重的感染。皮膚損傷后的傷口愈合涉及凝血、炎癥、細胞分裂、細胞外基質形成、組織形成以及上皮的成熟等多個過程[2]。創面愈合代表著患者皮膚屏障功能在逐漸恢復，但是皮膚的恢復有可能會因為外界細菌等微生物的影響進展緩慢，這也是為何嚴重燒傷的患者需要敷料覆蓋傷口隔絕外界環境的一個原因。傷口敷料有很多種類型，理想的創面敷料最重要的是保護創面[3-4]。

BC是由部分細菌產生的一類高分子化合物，即細菌纖維素[5]。能合成細菌纖維素的主要有醋酸桿菌屬（Acetobacter）[6]、土壤桿菌屬（Agrobacterium）[7]、根瘤菌屬（Rhizobium）[8]，其中最常提到的便是醋酸桿菌（Acetobacterxylium）。BC最早是由英國的Brown偶然間發現的，最終他確定發現的是一種纖維素[9]。由于當時的技術限制，細菌纖維素的相關研究并沒有引起很大反響。1947年，Hestrin S等[10]第一次說明無氧條件下木醋桿菌可以合成BC。1954年，Schramm M等[11]研究表明，纖維素在形成過程中會受到諸如基因及環境等因素的影響。從19世紀80年代開始，人們逐漸意識到BC是一種有很大潛力的生物材料，關于BC的研究發展開始井噴式增長[12]。在這個過程中，有兩個課題組做出了開拓式的工作：一是索尼公司、日本防治研究所及味之素公司合力研究的高強度生物材料[13]；二是Wyerhaeuer及Cetus Corp等研究的由A.xylinum作為生產菌株生產的BC[14]。1992年，Okiyama A等[15-16]報道了實驗室大規模生產BC的方法。

1" 細菌纖維素的性質

BC在物理性質、化學組成及分子結構上與植物纖維素很相近，兩者存在很多相似的性質，其一是在其分子鏈中，每個葡萄糖分子都含有3個羥基，分別位于葡萄糖分子的六元環兩側；其二是在其形成過程中，多條纖維素大分子鏈相互纏繞，在大分子間及分子內形成較多氫鍵，生物大分子結晶度高，因此，BC不溶于大多數的溶劑，如水、常見的一些有機及無機溶劑；BC的強度和熱塑性差，但耐化學腐蝕，這些特性在BC的溶解、改性及應用上均有很大的影響[11，17-18]。BC相比于植物纖維素具有很多的優點，例如純度高、滲透性好、孔隙率高、吸水性強以及機械強度高等。而這與它自身所具備的性質是分不開的。

BC的性質包括：①納米級纖維，BC是目前為止所發現的最細的天然纖維。②純度高、結晶度高，BC的化學結構十分類似于植物纖維素，但相對植物纖維素而言，細菌產生的纖維素更加純凈。③吸水性強、高透氣性，BC分子中含有大量的親水基團（例如羥基等）以及孔道，故具有很強的透氣性，吸水性和持水性；④高機械強度，BC分子中存在大量的氫鍵而具備較高的楊氏模量，足以滿足醫學敷料、醫學組織器官代用品以及其他產品的要求。⑤組織相容性，具有很好的生物相容性及生物可降解性，為其成為醫學敷料及其他的醫學生物器材的材料奠定了基礎，由于BC由細菌產生，可以在自然界發現，對環境沒有危害，不會污染環境；⑥生物合成可調控性，細菌合成細菌纖維素是可以通過人工干預的方法調節的，可以通過改變細菌的外界條件來獲取所需的不同大小、厚度、性質的BC，也可以通過不同的物理環境條件生產出不同形態的BC[19]。BC的這些特性使其在醫學相關行業中獲得了極大的優勢。在創面敷料中BC應當會大放異彩，它可以作為創面敷料保護損傷組織的理想支架，特別是在燒傷創面、組織再生中可以作為臨時皮膚代替品[20]。對BC進行功能化開發也可以拓展它在其他方面的應用，例如食品工業、防護材料、氣凝膠材料、燃料電池、整形美容等方面的應用。

2" 細菌纖維素的制備

在細菌體內，它以環境中的己糖、己酸等物質作為原材料[21]，合成產生尿苷二磷酸葡萄糖（UDP-G），作為合成BC的前體。而在體外，UDP-G被排出菌體后，將會合成裝配為β-1，4-葡萄糖鏈[22]，并在纖維素合酶的作用下通過氫鍵的作用在菌體表面重新聚合成β-1，4-糖苷鍵。在BC的體外組裝過程中，糖苷鍵在菌體附近的培養基通過氫鍵自組裝為微纖維，微纖維在強氫鍵的作用下相互聚集。40～60個微纖維相互纏繞形成松散的帶狀結構后進一步組裝為纖維[23]，后上浮至氣液表面，最終形成細菌纖維素膜[24]。

3" 細菌纖維素的臨床應用

傷口敷料有很多種類型，例如：傳統敷料（即干凈紗布）、磺胺嘧啶銀乳膏、銀離子敷料、重組人粒細胞巨噬細胞集落刺激因子、富血小板血漿、異種豬皮敷料等[4]，每種敷料都有著不同的優點及劣勢。傷口敷料大大減少了身體傷口持續惡化的可能，這不僅僅指的是細菌纖維素敷料，目前應用的各種傷口敷料均有不同程度的預防傷口惡化的能力，從而促進傷口的恢復。理想的創面敷料最重要的是保護創面，防止創面受到外界的影響，同時可以吸收創面滲出的組織液等物質，保持創面相對清潔，同時需具備一定的透氣性，不能有毒性和刺激性影響相對脆弱的創面組織，可以穩定地保持在患者創面上，不對創面造成傷害。重要的是無毒副作用和刺激性，換藥清除時不會黏附傷口造成二次創傷[3，25]。Shefa AA等[26]采用冷凍干燥的方法制備了一種新的TEMPO氧化纖維素納米纖維（TOCN）-絲素蛋白支架。通過實驗發現，該支架可以促進細胞的生長，與單純的TOCN支架相比，TOCN-絲素蛋白支架成功促進了傷口的愈合。徐玲華等[27]通過大鼠手術傷口愈合實驗對比研究了細菌纖維素敷料與傳統的干性敷料和密閉性水膠體敷料，初步得出的結論是BC的確能夠更有效地促進大鼠手術傷口愈合，在傷口保濕、防粘連以及預防瘢痕等方面均具有明顯的優勢。

在醫學治療應用中，天然衍生聚合物與合成聚合物相比存在很多的優點，如生物相容性、可自然降解以及生物活性。相比于其他的燒傷敷料，細菌纖維素膜的主要優點在于生物相容性好，無刺激性和毒副作用，保水能力和吸水能力好，具備一定的抗菌能力，可以促進傷口的愈合。其還可以作為載體承載其他的藥物，方便治療傷口的感染等情況，也可以更快地促進傷口的愈合。目前Biofill及Geniflex是應用較為廣泛的兩種細菌纖維素材料：Biofill作為人類皮膚臨時代用品已成功地應用于治療二級及以上的燒燙傷、皮膚移植以及慢性皮膚潰瘍等疾病，根據報道，Biofill已經被用于治療300多例患者，它具有很多BC的特性，還具有易于查看傷口、快速促進愈合、可以隨著皮膚的恢復而自然脫落的優點，唯一的缺點是在大范圍移動過程中彈性較低；Gengiflex則多用于修復牙齦組織[12]。

在世界范圍內，燒傷創面和植皮供區的治療方法存在著很大的差異，有很多的創面敷料用于治療。BC因其具有的高孔隙率、保水能力、吸水能力、生物相容性、可自然降解等的優點，使它成為一種較為優秀的創面敷料，特別是在生物醫學和藥理領域。治療應當個體化，根據患者的不同情況選擇適合的敷料，以適應病變的需要。因此這些條件均要求細菌纖維素敷料具備創造性、綜合性和多樣性的優勢條件。

在美容方面，BC也具備許多優勢。現如今很多消費者都樂于用化妝品來美化自己的外觀，但很少關心化妝品對皮膚的副作用。如使用對羥基苯甲酸酯常會引起皮膚過敏[28]。要避免這些傷害需要使用由天然植物或衍生成分（如精油、草藥、花和根等）制成的天然護膚產品[29]。BC在化妝品中有很多應用，包括面膜、隱形眼鏡、個人清潔配方及面部磨砂膏[30]。BC相較于其他材料的優點是具有更好的親水性和持水性，而且更加純凈，不含有木質素及半木質素[31]。BC保持水分的能力是無紡布口罩的10倍[32]，較高的吸收能力和持水性使BC得以在面膜方面占據一定優勢。而BC直徑只有20納米纖維及相對其他面膜材料更薄的厚度，保證BC面膜即使對不規則的皮膚表面仍可以保持較好的附著能力，從而觸及面部的每一個輪廓，使其能夠接觸到其他面膜無法接觸到的細紋和皺紋[33]。除此以外，基于BC膜在皮膚上應用的特定區域的精確劑量可以防止活性成分的損失[34]。因此，BC膜可以給皮膚提供真正的美容支持，因為它具備良好的觸感，可以舒緩皮膚并為其保濕[35]。但是BC膜本身不具備任何的抗衰老、美白和清潔功能，這限制了BC在美容方面的應用。

為了提高BC作為傷口敷料的效率或者可為其提供量身定制的特性、功能，需要花費很大力氣進行其自然特性的開發和改進，例如抗拉強度、生物相容性以及吸水能力等。但是BC本身并不具備良好的敷料，需具備一些理想的特性，如抗菌、抗炎和抗衰老能力。因此，除了自然特性的改善外，還需要引入一些特殊的特性，以提高生物纖維素的應用優勢。而這主要指的是開發BC的復合材料。

4" 細菌纖維素復合敷料的研究

近年來，關于細菌纖維素復合敷料的研究一直在發展，其中一個方案是在其中加入間充質細胞（MSC）的基質，這樣做的目的是增強敷料促進皮膚愈合的能力。有許多的研究表明，MSC具有多向分化潛能，包括人體內的多種細胞均可由它分化形成，將它添加在敷料上，目的便是增強敷料促進傷口細胞生長的能力[20]。

另外一個方案是增強敷料的抗菌能力，目前部分實驗室嘗試將ZnO引入到敷料中以增強敷料的抗菌能力，也取得了比較滿意的效果[36]。然而在研究過程中，由于ZnO顆粒較為微小，細胞常常會通過內吞作用將其攝入到體內，ZnO自然狀態下也具備一定的殺傷能力，一旦細胞過多攝入將會損傷細胞[37]。王成楓等[38]研究發現聚賴氨酸/細菌纖維素抗菌敷料可對燙傷大鼠產生一定的治療效果，它會顯著抑制傷口的細菌生長及繁殖，調節細胞活性。南方等實驗人員將BC與納米銀顆粒結合形成新的抗菌敷料，動物試驗中證明了它可以降低傷口感染的概率，縮短傷口的愈合時間[39]。有學者將異位修飾的姜黃素加入敷料中，表明姜黃素可以與敷料產生一定的化學作用，即它可以提高BC的結晶度，也能夠促進燒傷小鼠的創面愈合速度[1]。目前，有實驗室將精油、草藥、植物萃取物、花卉、藻類萃取物、泛醇等活性物質添加到BC膜中，活性成分以氫鍵結合在BC膜上[40]，通過這種方式BC膜可以使活性成分相對其他產品而言獲得更長的作用時間，明顯有助于活性成分滲透皮膚，從而讓BC面膜獲得了更好的皮膚保濕能力，BC面膜的低毒性和高保水能力讓它成為了極好的治療干燥皮膚的材料[41]。同時，部分實驗室在研究BC膜添加甘油后的優勢和劣勢，結果顯示，添加甘油后沒有增加BC膜對皮膚的刺激性，且增加甘油可以增強BC膜的保水能力[42]。Lin YC等[43]開發了含有BC膜碎片的重量范圍為0.05%～1.0%的美容產品，在其中添加BC碎片的方法顯著提升了添加成分的皮膚滲透能力，提高了產品的去角質，皮脂吸收和保濕能力。

5" 小結和展望

BC有很多優點，像是前面提到的純度高、孔隙率高、吸水能力強、機械強度高、生物相容性好以及可被自然降解等特性，這些優點使它可以在醫學領域大放異彩，BC的相關產品正在醫學領域得到不斷發展，不止燒傷敷料，還有人工皮膚、人造血管、組織工程支架等方面均有應用。同時，因為細菌纖維素敷料可以輕易地與其他的材料結合，故可以通過添加各種材料改善BC的性能以改變它的特性滿足不同場合的需求。然而，現在所研究出的合成材料大多具有局限性。且基于BC材料的生物醫學應用研究仍處于前期階段，大部分研究集中在動物模型上，臨床研究較少[44]。BC材料的制備上也存在不少缺陷，例如轉化率不足，工廠化不足，生產的成本很大[45]。因此，產品較少，應用于醫學領域的產品很少，在其他領域的開發也處在初期階段。今后的研究將在于選育產量更加穩定高效的菌株，從而可以實現BC的大工廠化生產，提高BC的產量，提高轉化率，降低其生產成本。之后也需要繼續研究BC在不同場合的應用，從而豐富BC的品類，滿足醫學及其他行業對于BC產品的需求。BC在美容方面的應用有很大潛力，然而在美容方面的相關研究極其有限，仍有很大的空間支持更加深入的研究。在敷料方面，繼續研究細菌纖維素復合敷料，通過添加不同的輔助材料改善敷料的抗菌性能和抗炎能力，以拓寬細菌纖維素敷料在燒傷敷料領域的應用。

[參考文獻]

[1]楊賢平，張子圣，劉振雄，等.中藥對皮膚屏障功能修復作用的研究進展[J].吉林中醫藥，2019，39（6）：827-830.

[2]Sajjad W， He F， Ullah M W， et al. Fabrication of bacterial cellulose-curcumin nanocomposite as a novel dressing for partial thickness skin burn[J]. Front Bioeng Biotech， 2020，8：553037.

[3]王林，陳劍利，高小春，等.兩種不同敷料聯合自體微粒皮種植術治療深Ⅱ度燒傷效果對比[J].中國美容醫學，2023，32（8）：52-55.

[4]李文婕，游艾佳，周俊麗，等.不同種類敷料治療燒傷療效的網狀Meta分析[J].中國組織工程研究，2023，27（7）：1141-1148.

[5]施慶珊.細菌纖維素的研究進展[J].生物學雜志，2004，21（5）：12-15.

[6]Brown R M， Willison J H， Richardson C L. Cellulose biosynthesis in Acetobacter xylinum： visualization of the site of synthesis and direct measurement of the in vivo process[J]. P Natl Acad Sci UsA， 1976，73（12）：4565-4569.

[7]Brown R M. Cellulose structure and biosynthesis： What is in store for the 21st century？[J]. J Polym Sci Pol Chem， 2004，42（3）：487-495.

[8]Jahan F， Kumar V， Rawat G， et al. Production of microbial cellulose by a bacterium isolated from fruit[J]. Appl Biochem Biotech， 2012，167：1157-1171.

[9]楊禮富.細菌纖維素研究新進展[J].微生物學通報，2003，30（4）：95-98.

[10]Hestrin S. Synthesis of cellulose by Acetobacter xylinum. Ⅱ. Preparation of freeze-dried cells capable of polymerizing glucose to cellulose[J]. Biochem J， 1954，58（2）：345.

[11]Schramm M， Hestrin S. Factors affecting production of cellulose at the air/ liquid interface of a culture of acetobacter xylinum[J]. J Gen Microbiol， 1954，11（1）：123-129.

[12]譚玉靜，洪楓，邵志宇.細菌纖維素在生物醫學材料中的應用[J].中國生物工程雜志，2007，27（4）：126-131.

[13]Iguchi M， Mitsuhashi S， Ichimura K， et al. Bacterial cellulose-containing molding material having high dynamic strength： USA， US19860852838[P].1988-05-03.

[14]Johnson D C， Neogi A N. Sheeted products formed from reticulated microbial cellulose： USA， US07/196127[P].1989-09-05.

[15]Okiyama A， Shirae H， Kano H， et al. Bacterial cellulose I. Two-stage fermentation process for cellulose production by Acetobacter aceti [J]. Food Hydrocolloids， 1992，6（5）：471-477.

[16]Okiyama A， Motoki M， Yamanaka S. Bacterial cellulose Ⅲ. Development of a new form of cellulose[J]. Food Hydrocolloid， 1993，6（6）：493-501.

[17]Gromet Z， Schramm M， Hestrin S. Synthesis of cellulose by Acetobacter Xylinum. 4. Enzyme systems present in a crude extract of glucose-grown cells[J]. Biochem J， 1958，67（4）：679-689.

[18]Brown A J. XLIII.—On an acetic ferment which forms cellulose[J]. Sci Am， 1886，49：432-439.

[19]朱宏陽，李泳寧，王金海，等.細菌纖維素醫用敷料的研究進展[J].海峽藥學，2018，30（12）：10-12.

[20]Portela R L C， Almeida P L， Sobral R G. Bacterial cellulose： a versatile biopolymer for wound dressing applications[J]. Microb Biotechnol， 2019，12（4）：586-610.

[21]R?mling U， Galperin M Y. Bacterial cellulose biosynthesis： diversity of operons， subunits， products， and functions[J]. Trends Microbiol， 2015，23（9）：545-557.

[22]Ross P， Mayer R， Benziman M. Cellulose biosynthesis and function in bacteria [J]. 1991，55（1）：35-58.

[23]Raghavendran V， Asare E， Roy I. Bacterial cellulose： Biosynthesis， production， and applications[M]. Advances in microbial physiology. Elsevier， 2020：89-138.

[24]Kim Y， Ullah M W， Ul-islam M， et al. Self-assembly of bio-cellulose nanofibrils through intermediate phase in a cell-free enzyme system[J]. Biochem Eng J， 2019，142：135-144.

[25]Cheng H， Lijie L， Wang B， et al. Multifaceted applications of cellulosic porous materials in environment， energy， and health[J]. Prog Polym Sci， 2020，106：101253.

[26]Shefa A A， Amirian J， Kang H J， et al. In vitro and in vivo evaluation of effectiveness of a novel TEMPO-oxidized cellulose nanofiber-silk fibroin scaffold in wound healing[J]. Carbohydrate Polymers， 2017，177：284-296.

[27]許玲華，江曉梅，鮑素敏，等.細菌纖維素敷料制備及對手術傷口的促愈合作用[J].中國組織工程研究，2018，22（26）：4150-4155.

[28]Darbre P D， Harvey P W. Paraben esters： review of recent studies of endocrine toxicity， absorption， esterase and human exposure， and discussion of potential human health risks[J]. J Appl Toxicol，

2008，28（5）：561-578.

[29]Hasan N， Biak D R A， Kamarudin S. Application of bacterial cellulose （BC） in natural facial scrub[J]. Int J Adv Sci Eng Inf Technol， 2012，2（4）：1-4.

[30]Ullah H， Santos H A， Khan T. Applications of bacterial cellulose in food， cosmetics and drug delivery[J]. Cellulose， 2016，23：2291-314.

[31]Klemm D， Schumann D， Udhardt U， et al. Bacterial synthesized cellulose—artificial blood vessels for microsurgery[J]. Prog Polym Sci， 2001，26（9）：1561-603.

[32]Trovatti E， Freire C S， Pinto P C， et al. Bacterial cellulose membranes applied in topical and transdermal delivery of lidocaine hydrochloride and ibuprofen： in vitro diffusion studies[J]. Int J Pharmaceut， 2012，435（1）：83-87.

[33]Wei B， Yang G， Hong F. Preparation and evaluation of a kind of bacterial cellulose dry films with antibacterial properties[J]. Carbohyd Polym， 2011，84（1）：533-538.

[34]Almeida T， Silvestre A J， Vilela C， et al. Bacterial nanocellulose toward green cosmetics： Recent progresses and challenges[J]. Int J Mol Sci， 2021，22（6）：2836.

[35]Bianchet R， Vieira cubas A， Machado M， et al. Applicability of bacterial cellulose in cosmetics： bibliometric review[J]. Biotechnol Rep， 2020，27：e00502.

[36]羅爭輝.新型納米ZnO/細菌纖維素復合膜的制備及促進感染創面愈合的實驗研究[D].重慶：第三軍醫大學，2017.

[37]Benke S N， Thulasiram H V， Gopi H N. Potent antimicrobial activity of lipidated short α， γ-hybrid peptides[J]. Chem Med Chem， 2017，12（19）：1610-1615.

[38]王成楓，王金海.聚賴氨酸/細菌纖維素抗菌敷料對燙傷大鼠創面菌群、膠質細胞活性及TGFβ1蛋白的影響[J].中國醫療美容，2022，12（7）：33-38.

[39]南方，賴琛，奚廷斐.細菌纖維素與納米銀復合制備創傷敷料[J].中國組織工程研究，2015，19（43）：7023-7028.

[40]Rani B， Singh U， Maheshwari R K. Natural antioxidants and their intrinsic worth for wellbeing[J]. Glob J Med Res， 2013，1：e13.

[41]Amnuaikit T， Chusuit T， Raknam P， et al. Effects of a cellulose mask synthesized by a bacterium on facial skin characteristics and user satisfaction[J]. Med Devices （Auckl）， 2011，4（1）：77-81.

[42]Almeida I F， Pereira T， Silva N H C S， et al. Bacterial cellulose membranes as drug delivery systems： An in vivo skin compatibility study[J]. Eur J Pharm Biopharm， 2014，86（3）：332-336.

[43]Lin Y C， Wey Y C， Lee M L， et al. Cosmetic composition containing fragments of bacterial cellulose film and method for manufacturing thereof： USA，14/614855[P].2015-08-06.

[44]Pang M， Huang Y， Meng F， et al. Application of bacterial cellulose in skin and bone tissue engineering[J]. Eur Polym J， 2020，122：109365.

[45]Ullah M W， Manan S， Kiprono S J， et al. Synthesis， structure， and properties of bacterial cellulose[J]. Nanocellulose： from fundamentals to advanced materials， 2019：81-113.

[收稿日期]2023-08-23

本文引用格式：趙涵，陳芳，李惠斌.細菌纖維素創面敷料的基礎研究及臨床應用進展[J].中國美容醫學，2025，34（4）：176-179.