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生物技术用电纺纤维最新研究进展
2019/12/14 11:27:58 admin

  细菌和微生物是生态系统的一部分,许多物种被用于生物技术应用。由于电纺膜具有孔隙率高,表面积大,可最大限度地发挥捕集的细菌与环境之间的相互作用等优点,因此,电纺膜控制细菌和微生物的方法有多种,其中,常用的方法是将细菌包裹在纳米纤维基质中,不常用的方法是使用电纺膜作为物理屏障来将细菌包覆在口袋中。

  电纺膜纤维之间的孔径通常太小而不能使细菌穿过。Lev等人(2012)表明,聚丙烯基质上的电纺聚氨酯纳米纤维能够从水中去除大肠杆菌,因此证明纳米纤维膜为细菌提供了物理屏障。Jesus等人(2014年)表明,纤维直径为800纳米至1微米以上的聚(L-丙交酯)电纺丝支架能够在温育5分钟后支持大肠杆菌和金黄色葡萄球菌粘附。为了证明固定在电纺膜上的细菌在废水处理中的应用,San等人(2014)在醋酸纤维素电纺膜上固定了三种类型的细菌(嗜水气单胞菌,Micchiganensis和铜绿假单胞菌)。使用亚甲基蓝作为污染物,研究表明三种细菌都能够达到超过95%的去除率。然而,由于在第四次洗涤循环之后效率降至50%以下,因此,需要做更多的工作来减少洗涤步骤后的细菌损失量。Abrigo等人(2015年)表明,电纺纳米纤维的表面改性对细菌附着具有显著的影响。通过使用等离子体处理的表面改性纤维上的大肠杆菌的相互作用,他们发现与未处理的PS网和相比,疏水性1,7-辛二烯(ppOct)处理的纤维网具有更高比例的活细菌,亲水性丙烯酸(ppAAc)表面处理的PS网具有较少的大肠杆菌。为了避免细菌的损失,另一种方法是将细菌包覆在纤维基质中。

  Confocal images of LIVE/DEAD stained E. coli cells onto (a) untreated PS mesh, (b) ppAAc, (c) ppAAm, (d) ppOct, and (e) ppCo meshes after removal from the bacterial agar culture. Scale bar 5 μm. [Abrigo et al. Biointerphases 10, 04A301 (2015); http://dx.doi.org/10.1116/1.4927218 ]

  通过静电纺丝技术可以将微生物和细菌包覆在纤维中,Salalha等人(2006)测试了静电纺丝后大肠杆菌和白色葡萄球菌的活力。发现细菌的生存力较好,大肠杆菌为19%,白色葡萄球菌为100%,而病毒的活力差,活力低于10%。这些差异归因于细菌的细胞壁的存在使这些细菌在静电纺丝过程中能够更好地承受剪切力。 Salalha等人(2006)假设,静电纺丝过程中溶剂的快速蒸发导致大肠杆菌生活力相对于白色葡萄球菌相对较差。通过在5%甘油中培养大肠杆菌,大肠杆菌的活力显著提高至48%。在大肠杆菌中甘油的存在可能保护细胞免于静电纺丝过程中的快速脱水。 Lopez-Rubio等人(2009)测试了动物双歧杆菌亚种的存活力。Nagy等人(2014年)研究了水溶性聚合物(聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮)用于乳酸菌嗜酸乳杆菌细菌的封装和递送。发现细菌的存活率在34%和68%之间。这种静电膜已被开发用于治疗细菌性阴道病。

  为了在生物技术中利用微生物,将微生物封装在纤维中将确保微生物保留在治疗区域中。然而,这是不够的,因为尽管被基质材料包覆,微生物必须能够与环境相互作用。 Tong等人(2013)测试了用游离大肠杆菌包覆在电纺二氧化硅/聚乙烯醇(PVA)纤维中的大肠杆菌的功能。从阿特拉津的降解中,他们发现包覆不会显著阻碍大肠杆菌的活性。Liu等人(2009)使用水溶性Pluronic F127二甲基丙烯酸酯(FDMA)和聚环氧乙烷(PEO)与荧光假单胞菌,运动发酵单胞菌和大肠杆菌混合进行静电纺丝。为了使纤维不溶于水,使用甘油作为交联介质使纤维发生交联。 将由过硫酸铵(APS),抗坏血酸(AsA)和硫酸亚铁组成的氧化还原体系添加到甘油和水的溶液中以使纤维发生交联。 除去PEO后纤维结构被保留,发现运动发酵单胞菌在4°C下保存7天后仍然存活,尽管保存的细菌百分比降低至23%, 运动发酵单胞菌的代谢活性不受静电纺丝过程的影响。

  电纺纳米纤维包覆微生物农业方面也有应用,Damasceno等人(2013)使用电纺聚乙烯醇(PVA)纳米纤维来包覆根瘤菌,PVA基质潜在地保护根瘤菌免受诸如温度和脱水的环境应力。比较包覆在PVA纳米纤维中的根瘤菌和阴性对照(未保护的根瘤菌)的存活力,对于包覆在PVA纳米纤维中的根瘤菌,存储48小时后显着更多的根瘤菌存活。此外,还进行了确定PVA纳米纤维中细菌的包覆是否对施用时大豆中存在的结节数量具有负面影响的研究。在30天内,在PVA纳米纤维中包覆的根瘤菌与阳性对照(未保护的根瘤菌)之间形成的根瘤数量没有显着差异。因此,将根瘤菌包覆在PVA纳米纤维中是用于存储和递送细菌的可行方法。

  电纺膜可间接用于发电,以支持和导电基质的形式用于接种电化学活性细菌。 Guzman等(2017)利用涂覆导电性聚合物聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT)的电纺聚丙烯腈(PAN)衍生的碳纳米纤维(CNF)探究生物电化学系统(BES),并接种了硫还原地杆菌生物反应器。使用涂有PEDOT的碳纳米纤维并接种硫还原地杆菌,电流为10.66Am-2。但是,这低于PEDOT涂覆的碳布,其电流为15.22Am-2。就通过质量标准化的输出而言,碳纳米纤维的高孔隙率优于碳布。

  生物技术的另一个方面是将固定化蛋白质用于生物芯片和生物传感器。电纺纳米纤维的高表面积使其对这种应用非常有吸引力。然而,固定化蛋白质能够维持其预期目的的活性至关重要。Morita等(2017)表明,聚氨酯纤维的直径影响吸附蛋白的活性。使用模型蛋白质,辣根过氧化物酶(HRP)和更粗的纤维(直径950nm),由于大的构象变化,活性降低。然而,在较小直径的纤维(直径480nm)上,蛋白质能够保持接近自然的形状,转化为更高的活性。他们的研究表明,HRP吸附的量与纤维直径无关,因此活性的降低不是由于吸附的HRP的量。研究纤维上吸附HRP的二级结构表明,与天然状态的HRP相比,在较厚纤维上的吸附HRP上的α-螺旋和β-螺旋百分比较少。然而,较小直径纤维上的α-螺旋和β-螺旋的百分比与自然状态的HRP相似,表明蛋白质几乎没有结构变化。

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