體外構建的細菌生物膜反應器仿人體膀胱尿液紊流切應力系統

文題釋義：

細菌生物膜反應器：細菌生物膜為依附於某載體表面由胞外多聚物與基質網包被的高度組織化、系統化微生物膜性聚合物；反應器是一種實現生物反應過程的設備；細菌生物膜反應器是指一種實現細菌生物膜生成反應的裝置設備。

紊流切應力：實際流體由於存在黏滯性而具有2種流動形態，液體質點作有條不紊運動、彼此不相混摻的形態稱為層流，液體質點作不規則運動、互相混摻、軌跡曲折混亂的形態稱為紊流(又稱湍流)；紊流切應力是紊流流態下的流體內部的一種剪切力，由2部分即黏性切應力與附加切應力組成。

背景：材料表面細菌生物膜形成是導管相關尿路感染的核心問題，已有研究多著眼於靜態或簡單流體力學條件下感染機制及防治，構建接近真實人體疾病狀態下的動態膀胱細菌生物膜模型為研究疾病機制、開發抗生物膜感染新技術的關鍵。

目的：提出人體膀胱尿液紊流切應力概念，體外構建基於仿人體膀胱細菌生物膜反應器的尿液紊流切應力系統，探討不同應力刺激大腸埃希菌生物膜形成。

方法：自行設計體外仿人體動態膀胱尿流模型，以大腸埃希菌標準株ATCC25922為模式菌、醫用矽膠膜片為載體，模擬4種人工尿流應力：靜水壓、恆流切應力、生理切應力及病理切應力(模擬尿瀦留環境)，建立加載紊流切應力細菌生物膜反應器。24，72，120，168 h時檢測生物膜細菌懸液吸光度值、菌落計數與生物膜表面積。

結果與結論：①細菌懸液吸光度值：不同組間、不同時間之間存在顯著差異(F=110.84，187.96，P均< 0.000 1)，時間與應力之間存在交互作用(F=50.05，P < 0.000 1)，從靜態應力、動態持續應力力、生理尿流應力到尿瀦留病理應力，生物膜細菌菌落數增加；②細菌菌懸液塗片菌落計數：不同時間之間菌落計數有顯著差異(F=6.30，P=0.002 9)，不同尿流應力組間無差異(F=1.11，P=0.400 1)，時間與應力不存在交互作用(F=0.85，P=0.581 4)；但隨著施加應力時間延長，複雜應力組菌落計數呈增加趨勢，尤以病理切應力組顯著；③生物膜細菌掃描電鏡表徵：各組及不同時間點之間定性比較，細菌生物膜形成從稀疏片段、成塊到大片成團形狀，具有差異；不同尿流應力組間、不同時間之間菌膜表面積存在顯著差異(F=505.72，1 201.84，P均< 0.000 1)，時間與應力之間存在交互作用(F=78.14，P < 0.000 1)；從靜態應力、動態持續應力、生理尿流應力到尿瀦留病理應力，細菌生物膜生成顯著增加；④結果提示，該仿人體膀胱模型尿液紊流切應力系統可明顯刺激體外大腸埃希菌生物膜形成，其功能變化及機制有待進一步探討。

https://orcid.org/0000-0002-8147-5117 (熊國兵)

中國組織工程研究雜誌出版內容重點：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 納米材料; 緩釋材料; 材料相容性；組織工程

關鍵詞: 膀胱, 細菌生物膜, 反應器, 紊流切應力, 力學生物學, 體外技術

引用本文：熊國兵, 劉愛波, 王世澤, 王 寓, 邱明星. 體外構建的細菌生物膜反應器仿人體膀胱尿液紊流切應力系統[J]. 中國組織工程研究, 2021, 25(10): 1560-1565.

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