Co to jest nanomateriał?

Nanomateriał zawdzięcza swoją nazwę wymiarom mieszczącym się w przedziale od 1 do 100 nm. Charakteryzuje się wysoką reaktywnością chemiczną, jak również posiada  unikalne właściwości magnetyczne, optyczne i elektryczne. Dzięki nim materiały te znajdują szerokie zastosowanie praktyczne. Nanomateriały otrzymuje się najczęściej na drodze chemicznej, fizycznej lub fizykochemicznej. Metody te wymagają zastosowania wyspecjalizowanej aparatury i wysokich nakładów finansowych. Alternatywą jest produkcja nanomateriału na drodze biotechnologicznej. Tak też otrzymywana jest celuloza bakteryjna.

Charakterystyka celulozy bakteryjnej

Celuloza bakteryjna jest nanomateriałem zbudowanym z liniowych łańcuchów β-1,4-glukanu tworzących nanofibryle. Składa się w 96 procentach z wody, pozostałą część stanowią cukry.  Najwydajniejszymi producentami celulozy są bakterie Glukonacotobacter xylinus. Są to szczepy gram ujemnych tlenowców. Bakterie te wytwarzają celulozę z dwóch powodów. Po pierwsze syntetyzują membranę chcąc utrzymać się na powierzchni ciekłych pożywek, gdzie nie brakuje tlenu.  Drugą przyczyną jest ochrona przed szkodliwymi czynnikami środowiska (promieniowanie UV, niska wilgotność)­ w tym przypadku celuloza pełni rolę biofilmu.

Polisacharyd wytwarzany przez bakterie, dzięki unikalnej nanofibrylarnej strukturze, odznacza się licznymi właściwościami czyniącymi z niego doskonały nanobiomateriał. Jest biofunkcjonalny, hipoalergiczny, nie mutagenny. Charakteryzuje się biokompatybilnością co oznacza, że po wszczepieniu nie jest odrzucany przez organizm.

Zastosowanie celulozy bakteryjnej

W chwili obecnej produkowany jest opatrunek celulozowy o nazwie CelMat®. Produkt został opracowany w Instytucie Biochemii Technicznej Politechniki Łódzkiej. Stosowany jest do leczenia trudno gojących się ran m.in. poparzeń, sprawdza się także w leczeniu stopy cukrzycowej.  Opatrunek można produkować we wszystkich kształtach i rozmiarach, co ułatwia jego precyzyjne dopasowanie do rany. Charakteryzuje się wysokim stopniem uwadniania, wiązaniem wydzielin z rany, a także zapewnia wymianę gazową z otoczeniem. Co więcej, zapobiega wtórnym zakażeniom. Nie bez znaczenia jest także łagodzenie bólu i zwiększenie komfortu podczas zmiany opatrunku, gdyż nie przywiera on do skóry. Dzięki tym cechom gojenie ran jest szybsze i nie pozostawia blizn. W IBT prowadzone są również badania nad wysyceniem opatrunku środkami przeciwbólowymi, antybiotykami, czy substancjami stymulującymi angiogenezę.

Kolejną możliwością jest zastosowanie celulozy bakteryjnej w medycynie implantacyjnej. Za pomocą odpowiedniej formy, na której tworzy się membrana można uzyskać implanty naczyń krwionośnych o różnej średnicy i długości. Mogą one później posłużyć, po odpowiedniej modyfikacji chemicznej, jako osłonki zerwanych włókien nerwowych. Tą samą metodą uzyskuje się materiał o charakterze chrząstki do sporządzania protez np. tchawicy.  Wstępne badania in vivo na szczurach przeprowadzone w Zakładzie Chirurgi Doświadczalnej Uniwersytetu Medycznego w Łodzi wskazują na dobrą tolerancję wszczepów, a także przyspieszoną regenerację  nerwu obwodowego. Możliwość uzyskiwania nieograniczonej liczby kształtów implantów daje bardzo obiecujące perspektywy na przyszłość.

Celuloza bakteryjna znalazła także zastosowanie przy produkcji materiałów kompozytowych do celów medycznych. Przykładowo kompozyt z polifosforanem sodu i hydroksyapatytem stosowany jest do regeneracji ubytków kości wywołanych osteoporozą. Ponadto oplecenie siatki polipropylenowej włóknami celulozy daje kompozyt bardziej wytrzymały nadający się do wszczepień laparoskopowych.

Genom producenta bionanoceulozy odkryty

Unikalne właściwości celulozy bakteryjnej stanowią o jej sukcesie jako bionanomateriału. Skłaniają także badaczy do poszukiwania nowych rozwiązań technologicznych i zastosowań tego niezwykłego biopolimeru. Odkrycia zostaną zapewne przyspieszone dzięki zsekwencjonowaniu genomu Ga. xylinus.  Dokonali tego inżynierowie z zespołu prof.. Stanisława Bieleckiego z Politechniki Łódzkiej.  Dwa lata temu Japończycy jako pierwsi opisali genom podobnej bakterii. Nie wytwarzała ona jednak celulozy. Dlatego też Polacy stali się pionierami w badaniach nad szczepem produkcyjnym. Dzięki temu osiągnięciu naukowcy mogą lepiej kontrolować proces produkcji, optymalizować go, a także podnosić wydajność. Poznanie biologicznych mechanizmów umożliwi regulację już na poziomie molekularnym. Z pewnością przełoży się to na uzyskanie lepszych i tańszych biozgodnych materiałów.