DONIESIENIE ZJAZDOWE
FORUM ZAKAŻEŃ 2016;7(5):377–379© Evereth Publishing, 2016
KAROL FIJAŁKOWSKI1 | RADOSŁAW DROZD1 | RAFAŁ RAKOCZY2 | ADAM F. JUNKA3
BIOMEDYCZNE ZASTOSOWANIE BAKTERYJNEJ CELULOZY
BIOMEDICAL APPLICATION OF BACTERIAL CELLULOSE
STRESZCZENIE: Celuloza syntetyzowana przez bakterie (CB) znalazła szereg zastosowań m.in. w medycynie oraz przemyśle kosmetycznym. Pomimo wielu zalet oraz możliwości zastoso-wania CB, wysokie koszty, nieefektywny proces produkcji oraz stosunkowo trudny proces mo-dyfikacji w celu uzyskania pożądanych właściwości są największymi przeszkodami w szero-kim jej zastosowaniu. Celem badań była analiza możliwości zastosowania wirującego pola ma-gnetycznego (WPM) w celu zwiększenia efektywności procesu produkcji oraz modyfikacji
wy-branych właściwości fizyko-chemicznych CB syntetyzowanej przez bakterie
Gluconacetobac-ter xylinus pod kątem zastosowań biomedycznych. Analizie poddano m.in.: ilość produkowa-nej celulozy, stopień jej uwodnienia, zdolność do pochłaniania i utrzymywania wody, morfo-logię mikrofibryli, stopień polimeryzacji oraz krystaliczności. Ponadto przeanalizowano właści-wości magnetycznie modyfikowanej CB jako nośnika do immobilizacji i impregnacji
substan-cji bioaktywnych oraz mikroorganizmów. Wykazano, że ekspozycja hodowli G. xylinus na WPM
wpływała przede wszystkim na zmiany w mikrostrukturze syntetyzowanej celulozy. Obserwo-wane zmiany w morfologii celulozy wpływały na jej właściwości wodne, przede wszystkim
na zdolność do pochłaniania i utrzymania wody. Podsumowując, ekspozycja hodowli G.
xyli-nus na WPM zwiększa wydajność procesu produkcji oraz pozwala na modyfikowanie wybra-nych właściwości CB szczególnie istotwybra-nych dla zastosowań biomedyczwybra-nych. Uzyskane wyniki mogą znaleźć zastosowanie przy opracowaniu wysokochłonnych opatrunków, dedykowanych leczeniu ran charakteryzujących się szczególnie dużym wysiękiem.
SŁOWA KLUCZOWE: biomateriały, biopolimer, celuloza bakteryjna, Gluconacetobacter xylinus,
pole magnetyczne
ABSTRACT: Cellulose synthesized by bacteria (bacterial cellulose – BC) has found a number of applications, e.g. in medicine and cosmetics industry. Despite many advantages and appli-cability, high costs, inefficient production process and the relatively difficult process of modi-fication to achieve the desired properties are the greatest barriers to extensive use of the BC. The aim of the study was to analyse the possibility of applying a rotating magnetic field (RMF) to increase the efficiency of the production process and modification of some physicochemi-cal properties of BC synthesized by bacteria Gluconacetobacter xylinus for biomedical appli-cations. The amount of cellulose produced, its degree of hydration, the ability to absorb and hold water, microfibrillar morphology, degree of polymerization and crystallinity were analy-sed. Moreover, the properties of magnetically modified BC as a carrier for impregnation and immobilization of bioactive substances and microorganisms were also analysed. It has been shown that exposure of G. xylinus to RMF primarily affects the microstructure of the synthesi-zed cellulose. The observed changes in the morphology of the cellulose affected its water pro-perties, especially the ability to absorb and retain water. In conclusion, exposure of G. xylinus
1 Katedra Immunologii, Mikrobiologii i Chemii Fizjologicznej
Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie
2 Instytut Inżynierii Chemicznej i Procesów Ochrony Środowiska
Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie 3 Zakład Mikrobiologii Farmaceutycznej
i Parazytologii Uniwersytetu Medycznego im. Piastów Śląskich we Wrocławiu
} KAROL FIJAŁKOWSKI
Katedra Immunologii, Mikrobiologii i Chemii Fizjologicznej,
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, al. Piastów 45, 70-311 Szczecin, Tel.: (91) 449 67 14,
e-mail: karol.fijalkowski@zut.edu.pl Wpłynęło: 17.10.2016
Zaakceptowano: 21.10.2016 DOI: dx.doi.org/10.15374/FZ2016064
Artykuá jest dostĊpny na zasadzie dozwolonego uĪytku osobistego. Dalsze rozpowszechnianie (w tym umieszczanie w sieci) jest zabronione i stanowi powaĪne naruszenie przepisów prawa autorskiego
378 © Evereth Publishing, 2016
FORUM ZAKAŻEŃ 2016;7(5)
to RMF increases the efficiency of the production process and allows to modify the selected properties of BC, particularly important for biomedical applications. The obtained results can be used to develop high capacity dressings, dedicated for the treatment of wounds characte-rized by a particularly high effusion.
KEY WORDS: bacterial cellulose, biomaterials, biopolymer, Gluconacetobacter xylinus,
magne-tic field
W badaniach tych analizowano m.in.: uzysk mokrej i suchej CB, jej wodochłonność i zdolność do utrzymywania wody, stopień krystaliczności, strukturę ułożenia mikrofibryli oraz liczbę komórek zdolnych do syntezy tego biopolimeru.
WYNIKI
Wykazano, że ekspozycja hodowli G. xylinus na WPM (f = 50 Hz, B = 34 mT) wpływała przede wszystkim na zmia-ny w mikrostrukturze celulozy. W wyniku zastosowanej eks-pozycji na WPM, uzyskana CB cechowała się luźniejszym ułożeniem fibryli w porównaniu do celulozy uzyskanej z ho-dowli nieeksponowanych. Zaobserwowano także, że zasto-sowanie WPM podczas syntezy CB powoduje formowanie się dłuższych fibryli. Obserwowane zmiany w morfologii celulozy wpływały na jej właściwości wodne, w tym przede wszystkim na zdolność do pochłaniania i utrzymania wody. Największą pojemnością wodną charakteryzowały się pró-by celulozy 3-dniowej. W tym wypadku celuloza modyfiko-wana magnetycznie charakteryzowała się do 26% większą zdolnością do pochłaniania wody w porównaniu do celulo-zy otrdo celulo-zymanej bez wpływu WPM. Stwierdzono także, że ma-gnetycznie modyfikowana CB syntetyzowana przez 7 dni, chociaż charakteryzowała się mniejszą pojemnością wodną niż celuloza 3-dniowa, to jednak zachowywała swoje polep-szone właściwości wodne w porównania do celulozy uzy-skanej z nieeksponowanych hodowli. Powyższe obserwacje wynikały z luźniejszego ułożenia fibryli, charakterystyczne-go dla młodszej oraz magnetycznie modyfikowanej celulo-zy. Łańcuchy celulozowe, które formują podstawowe jed-nostki tworzące włókna fibryli, są wydzielane na powierzch-nię komórki bakteryjnej do medium hodowlanego. Włók-na te agregują i tworzą mikrofibryle. Powoduje to wzrost gę-stości celulozy wraz z czasem jej syntezy. W badaniach wy-kazano także, że magnetycznie modyfikowana CB uwalnia-ła pochłoniętą wodę wolniej i pod wpływem wyższej tem-peratury w porównaniu do celulozy uzyskanej w warun-kach kontrolnych. Zdolność do pochłaniania wody zależy przede wszystkim od ilości i wielkości porów na powierzch-ni celulozy. Luźny układ fibryli i duży rozmiar porów zwięk-szają pojemność wodną CB. Ściśle ułożone fibryle bardziej efektywnie wiążą cząsteczki wody na skutek silniejszych od-działywań wiązań wodorowych, w porównaniu z fibrylami
WSTĘP
Celuloza jest składnikiem budulcowym ściany komór-kowej roślin wyższych, ale może być również produkowana przez niektóre glony, grzyby i bakterie. Celuloza bakteryj-na może być wytwarzabakteryj-na przez wiele różnych bakterii, jed-nakże tylko Gluconacetobacter xylinus jest gatunkiem, który produkuje duże ilości celulozy i tylko ta bakteria jest zdolna produkować celulozę w ilościach przemysłowych.
W porównaniu do innych naturalnych lub syntetycznych makrocząsteczek, CB jest unikatowa pod wieloma względa-mi. Substancja ta charakteryzuje się unikalną nanostruk-turą, wysoką czystością i krystalicznością, dużą pojemno-ścią w gromadzeniu i zatrzymywaniu wody, doskonałą bio-degradowalnością i biozgodnością. Dzięki takim właściwo-ściom celuloza syntetyzowana przez bakterie znalazła sze-reg zastosowań, m.in. w medycynie (biomateriały opatrun-kowe), przemyśle spożywczym oraz kosmetycznym, a tak-że w przemyśle papierniczym, chemicznym i ochronie śro-dowiska. Jednak mimo tak wielu zalet oraz możliwości za-stosowania, wysokie koszty, nieefektywny proces produkcji oraz stosunkowo trudny proces modyfikacji podczas uzy-skiwana pożądanych właściwości są największymi przeszko-dami w szerokim zastosowaniu CB. Uzasadnione są tym sa-mym prace badawcze mające na celu poprawę wydajności produkcji oraz właściwości CB.
Celem badań była analiza możliwości zastosowania wi-rującego pola magnetycznego (WPM) w celu zwiększe-nia efektywności procesu produkcji oraz modyfikacji wy-branych właściwości fizyko-chemicznych CB syntetyzowa-nej przez bakterie Gluconacetobacter xylinus pod kątem za-stosowań biomedycznych. Ponadto przeanalizowano wła-ściwości magnetycznie modyfikowanej CB jako nośnika do immobilizacji i impregnacji substancji bioaktywnych oraz mikroorganizmów.
MATERIAŁ I METODY
Eksperymenty przeprowadzono z wykorzystaniem sa-modzielnie skonstruowanych bioreaktorów, wyposażo-nych w generator WPM. Analizowano wpływ ekspozy-cji na WPM hodowli G. xylinus z uwzględnieniem wybra-nych parametrów związawybra-nych z procesem biosyntezy CB.
Artykuá jest dostĊpny na zasadzie dozwolonego uĪytku osobistego. Dalsze rozpowszechnianie (w tym umieszczanie w sieci) jest zabronione i stanowi powaĪne naruszenie przepisów prawa autorskiego
379
© Evereth Publishing, 2016
FORUM ZAKAŻEŃ 2016;7(5)
ułożonymi w sposób luźny. Ponadto wykazano, że retencja wody zwiększa się wraz ze wzrostem powierzchni całkowi-tej celulozy, dzięki m.in. dłuższym fibrylom. Celuloza pro-dukowana przez G. xylinus zawiera ponad 90% wody. Woda znajduje się wewnątrz porów CB i jest związana z włókna-mi celulozowyz włókna-mi za pośrednictwem wiązań wodorowych. Pojemność wodna i szybkość uwalniania wody mają bez-pośredni związek z ułożeniem fibryli w celulozie i uważane są za jedne z najważniejszych cech materiałów przeznaczo-nych do zastosowań biomedyczprzeznaczo-nych, np. do produkcji opa-trunków. Utrzymanie odpowiedniej wilgotności środowiska rany jest niezbędne do prawidłowego procesu gojenia. Dla-tego uważa się, że opatrunki na bazie CB są obecnie jednymi z najbardziej obiecujących materiałów w leczeniu ran prze-wlekłych i cechujących się obfitym wysiękiem.
WNIOSKI
Mając na uwadze powyższe informacje oraz opisane po-wyżej właściwości magnetycznie modyfikowanej CB, uzy-skane wyniki mogą znaleźć zastosowanie przy opracowaniu wysokochłonnych opatrunków, dedykowanych leczeniu ran o dużym stopniu wysięku. Mikrostruktura CB determinu-je także przydatność tego materiału do wykorzystania jako nośnika do immobilizacji np. różnych substancji o aktyw-ności przeciwbakteryjnej lub przeciwgrzybiczej. Opatrun-ki na bazie celulozy mogą być nasycone wodnymi roztwora-mi środków antyseptycznych. W tym kontekście można za-łożyć, że wyższe uwodnienie magnetycznie modyfikowanej CB może umożliwić bardziej efektywne uwalnianie antysep-tyku z włókien celulozowych, zapewniając wyższy poziom zwalczania drobnoustrojów obecnych w ranie.
DEKLARACJA PRZEJRZYSTOŚCI: Badania zostały współfinansowane w ramach grantów ST904 UMED Wrocław oraz Narodowego Centrum Badań i Rozwoju LIDER/011/221/L-5/13/NCBR/2014.
PIŚMIENNICTWO
1. Al-Shamary EE, Al-Darwash AK. Influence of fermentation condition and al-kali treatment on the porosity and thickness of bacterial cellulose membra-nes. Online J Sci Technol 2013;3(2):194– 203.
2. Dahman Y. Nanostructured biomaterials and biocomposites from bacterial cellulose nanofibers. J Nanosci Nanotechnol 2009;9(9):5105– 5122. 3. Fijałkowski K, Żywicka A, Drozd R et al. Modification of bacterial
cellulo-se through exposure to the rotating magnetic field. Carbohydr Polym 2015;133:52– 60.
4. Fijałkowski K, Rakoczy R, Żywicka A et al. Time dependent influence of rota-ting magnetic field on bacterial cellulose. Int J Polym Sci 2016; https://www. hindawi.com/journals/ijps/2016/7536397/
5. Fijałkowski K, Żywicka A, Drozd R et al. Increased yield and selected proper-ties of bacterial cellulose exposed to different modes of rotating magnetic field. Eng Life Sci 2016;16:483– 493.
6. Gelin K, Bodin A, Gatenholm P, Mihranyan A, Edwards K, Stromme M. Cha-racterization of water in bacterial cellulose using dielectric spectroscopy and electron microscopy. Polymer 2007;48(26):7623– 7631.
7. Gretz MR, Folsom DB, Brown RM Jr. Cellulose biogenesis in bacteria and higher plants is disrupted by magnetic fields. Naturwissenschaften 1989;76(8):380– 383.
8. Guo J, Catchmark JM. Surface area and porosity of acid hydrolyzed cellulose nanowhiskers and cellulose produced by Gluconacetobacter xylinus. Carbo-hydr Polym 2012;87(2):1026– 1037.
9. Huang Y, Zhu C, Yang J, Nie Y, Chen C, Sun D. Recent advances in bacterial cel-lulose. Cellulose 2014;21(1):1– 30.
10. Jiang Y, Guo Ch, Liu H. Magnetically rotational reactor for absorbing benzene emissions by ionic liquids. China Particuol 2007;5(1– 2):130– 133.
11. Keshk S. 2014. Bacterial cellulose production and its industrial applications. J Bioproces Biotechniq 2014;4(2):2– 10.
12. Mohite BV, Patil SV. Physical, structural, mechanical and thermal characte-rization of bacterial cellulose by G. hansenii NCIM 2529. Carbohydr Polym 2014;106:132– 141.
13. Moritz S, Wiegand C, Wesarg F et al. Active wound dressings based on bac-terial nanocellulose as drug delivery system for octenidine. Int J Pharm 471(1– 2):45– 55.
14. Lin SP, Calvar IL, Catchmark JM, Liu JR, Demirci A, Cheng K. Biosyn-thesis, production and applications of bacterial cellulose. Cellulose 2013;20(5):2191– 2219.
15. Wilhelms T, Schulze D, Alupei IC et al. Release of polyhexamethylene bigu-anidine hydrochloride (PHMB) from a hydrobalanced cellulose wound dres-sing with PHMB. The 17th Conference of the European Wound Management
Association Glasgow/UK 2– 4 May 2007. Poster presentation.
16. Wu SC, Lia JK. Application of bacterial cellulose pellets in enzyme immo-bilization. Journal of Molecular Catalysis B-Enzymatic 2008;3(3– 4):103– 108. Artykuá jest dostĊpny na zasadzie dozwolonego uĪytku osobistego. Dalsze rozpowszechnianie (w tym umieszczanie w sieci) jest zabronione i stanowi powaĪne naruszenie przepisów prawa autorskiego
