Method Article
Here, we present a protocol to make a bacterial nanocellulose (BNC) magnetic for applications in damaged blood vessel reconstruction. The BNC was synthesized by G. xylinus strain. On the other hand, magnetization of the BNC was realized through in situ precipitation of Fe2+ and Fe3+ ferrous ions inside the BNC mesh.
この研究では、細菌によって産生される細菌nanocellulose(BNC)がグルコンxylinus磁性細菌nanocellulose(MBNC)を得鉄(Fe 3 O 4)(IONP)酸化鉄ナノ粒子とin situで合成され、含浸されています。 MBNCの合成は、正確かつ特異的に設計された多段階プロセスです。簡潔には、細菌nanocellulose(BNC)ペリクルは保持G.から形成されていますサイズと形態の我々の実験要件に応じxylinus株 。塩化鉄(III)六水和物(のFeCl 3・6H 2 O)および2鉄(II)塩化物水和物(のFeCl 2・4H 2 O)の溶液:1のモル比で調製し、脱酸素、高純度の水で希釈されます。 BNCのペリクルは、その後、反応物と容器内に導入されます。この混合物を沈殿させるためにドロップすることにより撹拌し、次いで、添加されたシリコンオイルバス及び水酸化アンモニウム(14%)中で80℃に加熱しますBNCメッシュに第一鉄イオン。この最後のステップは、BNCのペリクルに磁気特性を付与する細菌nanocelluloseメッシュ内部のその場でのマグネタイトナノ粒子( ある Fe 3 O 4) で形成することができます。毒性アッセイは、BNC-IONPペリクルの生体適合性を評価しました。ポリエチレングリコール(PEG)は、それらの生体適合性を改善するためにIONPsをカバーするために使用されました。走査型電子顕微鏡(SEM)画像はIONPがBNCマトリックスの空間をインターレース原線維に優先的に位置していたが、それらのいくつかはまた、BNCリボンに沿って発見されたことを示しました。 MBNC上で行わ磁気力顕微鏡の測定はMBNCペリクルの磁気的性質を確認し、高いと強度が弱い磁場で存在磁区を検出しました。この作業で得られたヤング率の値は、以前の研究で、いくつかの血管のために報告されたものと合理的な合意でもあります。
細菌性nanocellulose(BNC)は、 アセトバクター・キシリナム菌株によって合成もグルコンxylinusとして知られており、静置培養中の空気-液体界面でのフィルムまたはペリクルの形で堆積されます。これらのBNCのペリクルは、それらが成長している容器の形態を採用し、それらの厚さは、培養中の日数に依存します。A. xylinusは、重合およびその後の結晶化の過程を経てセルロースミクロフィブリルの合成のための培地中のグルコースを使用しています。グルコース残基の重合は、グルカン鎖が細胞エンベロープに分散単一孔から押し出される細菌の外膜で行われます。セルロースミクロフィブリルの結晶化は、H結合1枚を積層し、続いてファンデルワールス結合によりグルカン鎖状シートの形成と細胞外空間で発生します。
磁石BNCマトリックスに統合ICナノ粒子は、動脈壁の損傷部位に、磁性ナノ粒子を含む平滑筋細胞(平滑筋細胞)を指示し、閉じ込めるために必要な力を増大させるために外部磁場によって容易に操作することができます。この戦略は離れて、他の組織からのSMCを保持し、血流によって及ぼされる力に抗して所定の位置に細胞を保持します。平滑筋細胞は、それらが中膜2に主に位置する豊富な層を形成する血管のvasoelasticityにおいて重要な役割を果たすことが示されています。
MBNCの合成に使用される方法は、BNCペリクルを浸漬し、80℃の塩化鉄(III)六水和物と塩化鉄(II)四水和物の溶液中で攪拌することを含みます。水酸化アンモニウムは、BNCメッシュ内部の酸化鉄ナノ粒子を形成するために添加されます。水酸化アンモニウムの添加は黒にオレンジ色の溶液の色を変化させます。一緒にBNC線維に沿ってIONPsコンパクト不均一な分布を持つの。
このプロトコルは行方不明、破損または負傷した小径の血管の代用として使用することを意図している私たちは、磁性細菌nanocellulose(MBNC)と命名している細菌nanocellulose磁性ナノ粒子ペリクル、の設計に焦点を当てています。 HS Barudおよび共同研究者らは最近、PEGおよび超常磁性酸化鉄ナノ粒子3の安定した水性分散液中のBNCペリクルを混合することにより、BNCベースのフレキシブル磁気紙を製造するための同様の作業を公開しています。ここでは、バクテリアセルロースの生産および磁性ナノ粒子と、その場での含浸を説明します。単一のDNA鎖切断の検出に基づく細胞毒性アッセイは、BNCとMBNCペリクルの生体適合性を試験しました。
細菌Nanocellulose(BNC)の作製
注:特に指定のない限り、すべての手順は、無菌条件下で行われます。
2.合成ポリマー被覆酸化鉄ナノ粒子と細菌Nanocellulose膜におけるその沈着
BNCとMBNCペリクルの3キャラクタリゼーション
G.の潜伏期間xylinusは、9日間の合計であったが、ペリクルは、以前形成し始め、約2日後に明らかでした。 BNCの肉眼的外観を図1、その模倣皿成長文化のそれの形で表示されている。 図 2は、同様に上記のプロトコルに関係する主なステップをサマリーをBNC-IONPのペリクルを製造する方法について説明し要部構成。
SEM画像は、微細構造、形態、及びBNC( 図3)と官能BNCでIONP分布の繊維の空間分布( 図4)を解決するために使用されました。 BNCは、定義されたパターンのないネットワーク全体の通気孔を形成する微細なリボン(直径約50ナノメートル)によって形成されています。 IONPが優先されているLOCサイズが100nm以上のクラスターを形成し、フィブリルインターレースにより形成される孔の間ated。個々のIONPはまた、リボンに沿って結合されています。 IONPはBNCのリボンを一緒に持って来るせいMBNCは、BNCに比べ少ない圧縮さフィブリル構造を示します。磁気力顕微鏡をMBNCのトポグラフィーで磁気プロファイルを再構成するために使用した( 図5A、B)。 500 nmの直径以上の大きな細孔は、未処理のBNC( 図5A)において観察されなかったMBNC、形成されています。これはMBNCが変更されていないBNC以上の多孔質構造を表示するSEM顕微鏡写真で観察と一致しています。異なる磁化の二つのドメインを持つ磁気力勾配は、そのコントラストMBNC地形画像( 図5A)にIONPリッチ領域によって形成された山と谷と相関しないMBNC面( 図5B)、全体で検出されました。高いと弱いInteにnsity磁場は、それぞれ、図5(b)に黄色と緑と表記されています。細菌nanocelluloseに埋め込 ま測定されるナノ粒子のヒステリシスループは、全てIONPsなしヒステリシス、室温で超常磁性であったことの証拠を提供する。図5に示されています。
HASMCは、これらの異物への暴露の結果として、個々の細胞の生存率に有害な影響をテストするためのBNCのとMBNCの存在下で培養しました。個々の細胞内の損傷の程度は、DNA鎖切断の検出( 図6)によって定量しました。結果は、(HASMCを37℃、95%空気および5%CO 2(ネガティブコントロール)の通常の培養条件下で成長し、30分間、過酸化水素によって誘導される遺伝毒性(100μMのH 2 O 2)とHASMCすることと比較しましたポジティブコントロール)。 t検定を用いて一対比較は目を示しましたMBNCの影響で細胞生存率にHASMC(P -値<0.001、***)の過酸化水素処理で誘導されたものとは有意に異なっていました。
細菌nanocelluloseの 1 巨視的な側面図 。BNCのペリクルは約ある11日のインキュベーション期間の後に得られています。厚さ3ミリメートル。潜伏期間は意図された使用のための要件に依存します。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
酸化鉄ナノ粒子が組み立てられている。磁気的に官能細菌nanocelluloseの2製作図と私 BNC内のその場で ncorporated、MBNCを得た。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
BNCの 図3. SEM像。BNCは、50nm以下のサイズの微細なネットワークと非集約リボンが表示されます。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図4. BNC-IONPペリクル。酸化鉄ナノ粒子(IONP)が優先的にインタレースリボンとの間に配置されているのSEM像 。D / 52951 / 52951fig4large.jpg "ターゲット=" _空白 ">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
MBNCと磁区構造の 図5. AFMトポグラフィ。ナノフィブリル構造の上に立つ非常にパッケージ化されたナノ粒子のスポットを示すMBNCの(A)表面トポグラフィー。 (B)黄色と緑のドメインは、それぞれ高く、強度が弱い磁場の異なる磁化の2つの領域を示す。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
暴露された後HASMCにおけるDNA損傷の 図6. エクステントBNC、及びMBNCにそれぞれPosCtlは、比較の目的のために過酸化水素処理を行ったHASMCを表します。 NegCtlはHASMCは、通常の培養条件の下で成長して示しています。 MBNC HASMC上の生存可能性の有害な影響がPosCtl(p値<0.001、***)で観察されたものとは大きく異なっていた。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
BNCペリクルの厚さや大きさを容易にインキュベーション時間、それは静的培養中に成長しているフラスコの大きさを変えることによって操作することができます。 BNCのmicropropertiesは、多孔性として、静的培養中の酸素比率を変えることによって変更することができます。高い酸素濃度が厳しいBNC 11を得ました 。 A.ボーダンと共同研究者はG.の発酵プロセスの間に100%の酸素に大気中の酸素から酸素比を変化させることにより、880ミリメートルHgのまでの破裂圧力とBNCのチューブを生産しました12 xylinus。同様に、BNCの気孔率はまた、発酵工程にパラフィンワックスミクロスフェアとしてポロゲンを組み込むことによって導入することができます。この場合、結果として得られる気孔率、気孔の相互接続は、ポロゲンのサイズ13に依存します。
BNCの多孔性ネットワークは、薬物送達のために、 例えば 、それらはナノ粒子で官能化されることを可能にしますエージェント。私たちの研究では、BNCベースの足場の急速な細胞の動員および添付ファイル用の磁気プロトコルを実装するためには、BNC膜にナノ粒子を合成し、 その場で成長させることによりIONPとBNCを官能化しています。ナノメカニカルテストは、BNCのナノスケールの応答が非常に低いヤング率、E BNC =表面で0.04 GPaでのサンプル内部の0.0025万気圧と血管14と同様に動作することを明らかにしました。得られた値は、フーらによって観察されたものと範囲内にある。15。
IONPの過剰は簡単に、材料の高気孔率にBNCから除去することができました。 SEM写真は、ナノ粒子がフィブリル交絡によって形成される空間に主に分布し、リボンに沿って分散していることが示されました。このプロトコルで使用される鉄種の濃度は、一緒にBNCのリボンをもたらした高密にパッケージ化されたIONPを、もたらしました。これは、以下のような結果に未修正のBNCのものよりも大きい孔を有するMBNC。それらは強磁性コバルトフェライトの体積分率を変更したときオルソンらのFeSO 4 /のCoCl異なる濃度のセルロースナノフィブリルエーロゲルの合成におけるBNCの同じ体積分率2の塩を使用し、BNCの気孔率で同様の増大を報告しました0.7%から5.7〜16%のナノ粒子。 MBNCにおけるこの高い気孔率は、回復時間を増加させ、損傷した動脈壁での再狭窄を防ぐための薬剤の堆積のために有利であり得ます。
地形および磁気相画像間の相関の欠如はまたB.トレら 17、地形及び疎ナノ粒子膜の磁気信号間の独立性を指摘して説明しました。さらなる特徴付けの研究は、磁化ヒステリシス(MH)SQUID-VSMのSYを介しMBNCのループを決定するために実施される必要があります茎。
MBNCこの物質は、細胞と接触して使用するための生体適合性であることを示す、コメットアッセイで観察された結果によれば、毒性効果のために低電位を示しました。
手順の中で最も重要なステップは、水酸化アンモニウムの量は、それが添加される速度、並びに反応中溶液にBNCを完全に浸漬し、攪拌を確実に関連しています。第1は、ナノ粒子がBNCマトリックスの全体に分散されている方法に影響を与える一方で第一の態様は、得られた酸化鉄ナノ粒子のサイズを決定します。より良いのMNPのサイズを制御するために、栓とのビュレットを反応に水酸化アンモニウムを滴下することによって添加を調節するために使用することができます。溶液中で完全に水没することができBNCの小片は、お勧めします例えば 、溶液の10ミリリットルの全容量のために約1.9 cmの大きさ。 Oneリミこの技術のテーションは、BNCメッシュ内部IONPの不均一な分布です。
このプロトコルは、複合材料を形成するために、BNCに酸化鉄ナノ粒子を組み込むための方法を記載しています。なぜなら、生体適合性とBNCと酸化鉄ナノ粒子の両方の物理的および機械的特性、MBNCは、細胞増殖のための薬物送達システムおよび足場などの生物医学的様々な用途に使用することができます。
The authors have nothing to disclose.
This work was funded by Department of Defense under contract No. W81XWH-11-2-0067
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Glucoacetobacter xylinus | ATCC | 700178 | |
Agar | Sigma Aldrich | A1296-500G | |
D-Mannitol Bioxtra | Sigma Aldrich | M9546-250G | |
Yeast Extract | BD Biosciences | 212750 | |
Bacteriological Peptone | Sigma Aldrich | P0556 | |
Sodium Hydroxide, 50% Solution In Water | Sigma Aldrich | 158127-100G | |
Iron(III) Chloride Hexahydrate | Sigma Aldrich | 236489-100G | |
Ammonium Hydroxide | Macron Fine Chemicals | 6665-46 | |
Poly(Ethylene Glycol), Average Mn 400 | Sigma Aldrich | 202398-250G | |
Iron (II) chloride tetrahydrate | Sigma Aldrich | 44939-250G | |
Disposable Petri dish | Sigma Aldrich | BR452000 | |
Disposable Inoculating Loop | Fisher Scientific | 22-363-604 | |
Anhydrous Calcium Sulfate | W.A. Hammond Drierite | 13001 | |
High vacuum grease | Sigma Aldrich | Z273554-1EA | |
Laboratory pipetting needle with 90° blunt ends | Sigma Aldrich | CAD7937-12EA | |
pH test strips | Sigma Aldrich | P4786-100EA | |
Round-bottom three neck angle type distilling flask | Sigma-Aldrich | CLS4965250 | |
Silicone oil for oil baths | Sigma-Aldrich | 85409-250ML | |
Drying Tube | Chemglass | CG-1295-01 | |
Septum Stopper, Sleeve Type | Chemglass | CG-3022-98 | |
Magnetic stir bar | Chemglass | CG-2001-05 | |
Condenser | Chemglass | CG-1218-01 | |
Temperature Controller | BriskHeat | SDC120JC-A | |
Stirring Hotplate | Fisher Scientific | 11-100-49SH | |
Comet Assay Kit | Trevigen | 4250-050-K | |
SYBR Gold Nucleic Acid Gel Stain | Life Technologies | S-11494 | |
bio-AFM | JPK Instruments | NanoWizard 4a BioScience AFM | |
Nanoindenter | Micro Materials Ltd | Multi-module mechanical tester | |
Scanning electron microscopy (SEM) | Hitachi High Technologies America | Hitachi S-4800 |
このJoVE論文のテキスト又は図を再利用するための許可を申請します
許可を申請This article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2023 MyJoVE Corporation. All rights reserved