Биоцел: биологическая целлюлоза и её применение¶

Биоцеллюлоза (часто сокращённо — биоцел) — общее название группы материалов на основе целлюлозы, получаемых с помощью биологических процессов, прежде всего бактериального синтеза, а также ферментативной обработки растительного сырья. В узком смысле под биоцелом понимают бактериальную целлюлозу — внеклеточный полимер, который продуцируют некоторые виды уксуснокислых бактерий, в первую очередь Komagataeibacter xylinus (ранее Gluconacetobacter xylinus). В отличие от растительной целлюлозы, такая целлюлоза образуется в виде нанофибриллярной трёхмерной сети высокой химической чистоты и рассматривается как перспективный биосовместимый материал для медицины, пищевой промышленности и биотехнологии.

¶Химическая природа

По химическому строению целлюлоза представляет собой линейный полисахарид, состоящий из остатков β-D-глюкозы, соединённых β-1,4-гликозидными связями. Молекулярная формула повторяющегося звена — C₆H₁₀O₅. Цепи объединяются в микрофибриллы за счёт водородных связей, что придаёт материалу механическую прочность и устойчивость к растворению в воде.

Биоцеллюлоза отличается от древесной и хлопковой целлюлозы рядом свойств:

• высокой степенью чистоты — практически не содержит лигнина, гемицеллюлоз и пектинов, поэтому не требует жёсткой химической очистки;
• нанометровым диаметром фибрилл (обычно 20–100 нм);
• высокой степенью кристалличности (до 70–90 %);
• большой удельной поверхностью и способностью удерживать воду (гель содержит до 90–99 % воды).

¶Синтез

Бактериальную целлюлозу получают путём культивирования целлюлозосинтезирующих бактерий на питательных средах, содержащих источники углерода — глюкозу, фруктозу, сахарозу, глицерин или отходы пищевых производств. Бактерии синтезируют целлюлозу из урндиндифосфатглюкозы (UDP-глюкозы) с помощью ферментного комплекса целлюлозосинтазы, выделяя фибриллы во внеклеточное пространство.

Продукт накапливается на поверхности питательной среды в виде гелеобразной плёнки. В зависимости от условий культивирования — статического или перемешиваемого, состава среды, температуры и времени — получают материалы с разной структурой: плотные плёнки, сферы, волокна или суспензии. После синтеза биомассу очищают от бактериальных клеток и компонентов среды щелочной обработкой, промывают и при необходимости высушивают или модифицируют.

Помимо бактериального синтеза, к «биоцеллюлозным» технологиям относят ферментативное расщепление растительной целлюлозы до нанофибрилл с помощью целлюлаз и получение микрокристаллической целлюлозы из возобновляемого сырья.

¶Свойства

Ключевые характеристики бактериальной целлюлозы:

Материал нетоксичен, не вызывает выраженной иммунной реакции при имплантации и способен постепенно разлагаться в организме. Он также обладает высокой сорбционной способностью и может служить матрицей для введения лекарственных веществ.

¶Применение

¶Медицина

Биоцеллюлоза применяется для создания ранозаживляющих повязок и перевязочных материалов: влажный гель поддерживает оптимальную среду для заживления, защищает рану от инфекции и легко удаляется без повреждения тканей. Материал используют в тканевой инженерии как каркас для выращивания клеток кожи, хряща и сосудов; в хирургии — для изготовления имплантатов и мембран; в стоматологии — как основу для регенерации тканей пародонта.

¶Пищевая промышленность

Бактериальная целлюлоза (известная как «нанцеллюлоза» или «кокосовый гель» в странах Азии) применяется как загуститель, стабилизатор и низкокалорийный компонент десертов и напитков. В ряде стран её используют в составе традиционных сладостей, например в десерте ната-де-коко.

¶Косметика и другие отрасли

Материал входит в состав увлажняющих масок, кремов и сорбентов. В промышленности его рассматривают как основу для мембран, акустических и упаковочных материалов, а также для получения биокомпозитов с улучшенными механическими свойствами.

¶Преимущества и ограничения

К преимуществам биоцеллюлозы относят возобновляемость сырья, биоразлагаемость, высокую чистоту и биосовместимость. Основные ограничения связаны с относительно высокой стоимостью и низкой производительностью микробного синтеза, сложностью масштабирования процессов и необходимостью стерильных условий культивирования. Эти факторы сдерживают широкое промышленное внедрение материала, хотя исследования в области дешёвых питательных сред и генетической модификации штаммов продолжаются.

¶Исследования и перспективы

Научные работы направлены на повышение выхода целлюлозы, использование отходов агропромышленного комплекса в качестве субстрата, а также на создание гибридных материалов с наночастицами серебра, антибиотиками или полимерами. Перспективными считаются направления «умных» перевязочных материалов, биоразлагаемой упаковки и сенсоров. Отдельное направление — получение биоцеллюлозы из водорослей и грибов, что расширяет сырьевую базу и снижает зависимость от сахарных субстратов.