Cellulose vi khuẩn và một số ứng dụng trong phát triển vật liệu y sinh học

NTTU – Cellulose vi khuẩn (bacterial cellulose) là một vật liệu y sinh học tự nhiên được tổng hợp bởi vi khuẩn. Cellulose vi khuẩn có cấu trúc không gian ba chiều độc đáo với các sợi cellulose kích thước nano đan xen lẫn nhau. Nhờ đó, cellulose vi khuẩn có các đặc tính ưu việt của một vật liệu ứng dụng trong y sinh học như khả năng giữ nước, khả năng tương thích sinh học và khả năng phân hủy sinh học. Cellulose vi khuẩn đã và đang trở thành đối tượng nghiên cứu tiềm năng trên toàn cầu

Cấu trúc không gian ba chiều của cellulose vi khuẩn (Stanisławska, A. (2016). Bacterial nanocellulose as a microbiological derived nanomaterial. Adv. Mater. Sci, 16(4), 45-57)

Cho đến nay, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng Cellulose vi khuẩn hoàn toàn có thể được tổng hợp từ nhiều loài vi khuẩn khác nhau như Gluconacetobacter sp., Aerobacter sp., Rhizobium sp., Sarcina sp., Azotobacter sp., Agrobacterium sp., Pseudomonas sp. và Alcaligenes sp.. Trong số đó, Komagataeibacter xylinus, với tên gọi trước đây là Gluconacetobacter xylinus và Acetobacter xylinus, là loài vi sinh vật được phát hiện sớm nhất và được nghiên cứu rộng rãi nhất nhằm ứng dụng trong tổng hợp cellulose vi khuẩn. Komagataeibacter xylinus là một loài vi khuẩn hiếu khí, gram âm, có hình dạng que. Komagataeibacter xylinus có thể trùng hợp lên đến 200 nghìn phân tử glucose thành chuỗi β-glucan, đồng thời sắp xếp các chuỗi polymer này thành cấu dạng sợi kích thước nano chỉ trong 1 giây.

Komagataeibacter xylinus trong quá trình tổng hợp cellulose vi khuẩn (Stanisławska, A. (2016). Bacterial nanocellulose as a microbiological derived nanomaterial. Adv. Mater. Sci, 16(4), 45-57)

Cellulose vi khuẩn đã được chứng minh là không gây độc, đồng thời không gây đáp ứng miễn dịch đối với tế bào động vật. Đồng thời, các loại tế bào khác cũng có khả năng phát triển và tăng sinh khi có sự hiện diện của cellulose vi khuẩn như nguyên bào sợi, nguyên bào xương, tế bào cơ trơn, tế bào sụn và tế bào gốc trung mô. Đơn cử như tế bào gốc trung mô đã được ghi nhận là có khả năng bám dính nhanh chóng, chắc chắn và biến hoá thành nhiều lớp khi có sự tham gia của cellulose vi khuẩn.

Bên cạnh đó, cellulose vi khuẩn còn có thể được ứng dụng trong các nghiên cứu chế tạo khung nâng đỡ tế bào động vật. Khung nâng đỡ được chế tạo từ cellulose vi khuẩn hoặc hỗn hợp cellulose vi khuẩn/hyaluronic acid hoặc hỗn hợp cellulose vi khuẩn/gelatin cho phép tế bào gốc tủy xương người bám dính và tăng sinh tốt.

Các nghiên cứu ảnh hưởng của cellulose vi khuẩn trên tế bào chuột và trên chuột cũng đã được công bố. Theo đó, nguyên bào sợi phôi chuột hoàn toàn có khả năng tăng sinh và bám dính tốt trên bề mặt các giếng có bổ sung cellulose vi khuẩn trong đĩa nuôi 24 giếng và đĩa nuôi 96 giếng. Nghiên cứu in vivo cho thấy cellulose vi khuẩn có khả năng kích thích quá trình tái tạo mô da chuột.

Nguyên bào sợi phôi chuột tăng sinh và bám dính tốt trên bề mặt các giếng có bổ sung cellulose vi khuẩn (B) và đối chứng (A) (Fu, L., Zhou, P., Zhang, S., & Yang, G. (2013). Evaluation of bacterial nanocellulose-based uniform wound dressing for large area skin transplantation. Materials Science and Engineering: C, 33(5), 2995-3000)

Mối quan tâm của các nhà khoa học đối với cellulose vi khuẩn chưa bao giờ dừng lại. Cellulose vi khuẩn mang lại tiềm năng rất lớn đối với ngành vật liệu y sinh học và y học tái tạo. Các nghiên cứu kết hợp cellulose vi khuẩn với các loại vật liệu y sinh học khác nhằm tận dụng nhiều đặc tính ưu việt hơn nữa cần được thực hiện trong tương lai.

ThS. Lê Thị Thanh Lan

Tài liệu tham khảo:
1. Fu, L., Zhou, P., Zhang, S., & Yang, G. (2013). Evaluation of bacterial nanocellulose-based uniform wound dressing for large area skin transplantation. Materials Science and Engineering: C, 33(5), 2995-3000.
2. Gorgieva, S. (2020). Bacterial cellulose as a versatile platform for research and development of biomedical materials. Processes, 8(5), 624.
3. Lähtinen, K., Valve, H., Jouttijärvi, T., Kautto, P., Koskela, S., Leskinen, P., … & Tukiainen, P. (2012). Piecing together research needs: safety, environmental performance and regulatory issues of nanofibrillated cellulose (NFC). Lappeenranta University of Technology: Department of Information Technology.
4. Stanisławska, A. (2016). Bacterial nanocellulose as a microbiological derived nanomaterial. Adv. Mater. Sci, 16(4), 45-57.
5. Zhong, C. (2020). Industrial-scale production and applications of bacterial cellulose. Frontiers in bioengineering and biotechnology, 8, 605374.