高安定、機能毛深いナノ粒子と木材繊維からバイオポリマー：持続可能なナノテクノロジーに向けて
Summary
Synthesis schemes to prepare highly stable wood fiber-based hairy nanoparticles and functional cellulose-based biopolymers have been detailed.
Abstract
ナノ粒子は、ナノテクノロジーとナノメディシンで重要な材料の一つとして、過去十年の間にかなりの重要性を得ています。金属系ナノ粒子を合成し、環境口論に関連付けられているが、セルロースは、ナノ粒子合成のための緑、持続可能な代替案を紹介します。ここでは、木質繊維に基づい毛深い（非晶質と結晶領域の両方を保有する）ナノ粒子および生体高分子の新しいクラスを生成するために、化学合成および分離手順を提示します。軟質木材パルプの過ヨウ素酸酸化を介して、セルロースのグルコース環は、2,3-ジアルデヒド基を形成するC2-C3結合で開放されます。部分的に酸化された繊維のさらなる加熱（ 例えば 、T = 80℃）で十分に断続的な遠心分離によって分離された3つの製品、すなわち、繊維状酸化セルロース、立体的に安定化されたナノ結晶セルロース（SNCC）、および溶解ジアルデヒド変性セルロース（DAMC）、で結果および共溶媒付加。（加熱せず）、部分的に酸化された繊維は、アルデヒド、カルボキシル基とほぼすべて変換する亜塩素と反応する反応性の高い中間体として使用しました。共溶媒沈殿および遠心分離はelectrosterically安定化ナノ結晶セルロース（ENCC）とジカルボキシル化セルロース（DCC）が得られました。 SNCCとENCCの結果として、表面電荷（カルボキシル含有量）のアルデヒド含有量を正確に従来NCCと比較して、ナノ粒子のグラム当たり以上7モルの官能基（ 例えば 、軸受安定性の高いナノ粒子が得られ、過ヨウ素酸酸化反応時間を制御することによって制御されました<< 1ミリモルの官能基/ g）を保有します。原子間力顕微鏡（AFM）、透過型電子顕微鏡（TEM）、走査型電子顕微鏡（SEM）は、棒状の形態に証明しました。電導度滴定、フーリエ変換赤外分光法（FTIR）、核磁気共鳴（NMR）、動的光散乱（DLS）、電-Sを変換しますonic振幅（ESA）と音響減衰分光法は、これらのナノ材料の優れた特性に光を当てます。
Introduction
セルロースは、世界で最も豊富な生体高分子として、1（ま た、セルロースナノCNCとして知られているNCC）ナノ結晶セルロースという名前の結晶性ナノ粒子を得るために重要な原料として最近役立ってきました。 NCC合成のメカニズムを理解するために、セルロース繊維の構造が検討される必要があります。セルロースは、線形およびポリβ（1,4）-D-グルコース残基2を含む多分散ポリマーです。各単量体中の糖リングは（1-1.5）の鎖を形成するために、グリコシド酸素を介して接続された第一ネーゲリとシュベンデナー2,4によって報告された結晶部分と無秩序、アモルファス領域を、交互に導入し、10 4グルコピラノース単位2,3 xはされています。ソースに応じて、セルロースの結晶性の部分は、様々な多形体5を採用することができます。
セルロース繊維は、硫酸などの強酸で処理されている場合は、アモルファス相が完全に加水分解することができ阿波tunicin一方、ポリマーを破壊し、幅の源（ 例えば 、木材、綿、収率90％以上の結晶ナノロッドに応じて様々なアスペクト比の結晶粒子を生成するには、Y〜5〜10nmで、長〜100〜300nmの、細菌、藻類は5-60 nmの広い、いくつかのマイクロメートル長いのNCC）6から100ナノメートルを生産します。読者は、これらのナノ材料2,5,7-16の科学的・工学的側面 に関する入手可能な文献の膨大な量と呼ばれています。これらのナノ粒子の多数の興味深い特性にもかかわらず、彼らのコロイド安定性は、常に、それらの比較的低い表面電荷量（1mmol / g未満）17に高い塩濃度および高/低pHでの課題となっていました。
代わりに、強力な酸加水分解により、セルロース繊維は、有意な副反応18,1と2,3-ジアルデヒド単位を形成するアンヒドロD-グルコピラノース残基にC2-C3結合を切断し、酸化剤（過ヨウ素酸）で処理することができます9。これらの部 分的に酸化された繊維は、機械的剪断または超音波20なしで単独での化学反応を用いて、非晶質と結晶領域の両方（毛状ナノ結晶セルロース）を有するナノ粒子を製造するための貴重な中間材料として使用することができます。部分酸化度DS <2は、加熱が立体的に安定化されたナノ結晶セルロース（SNCC）と呼ばれる製品、すなわち繊維状セルロース、水分散性ジアルデヒドセルロースナノウィスカーの3つのバッチで繊維結果を酸化し、そして単離することができるジアルデヒド変性セルロース（DAMC）を、溶解したとき共溶媒添加および断続的な遠心分離21を正確に制御することもできます。
部分的に酸化された繊維で制御亜塩素酸酸化を行うには、アルデヒド含有量18に応じて、ナノ結晶セルロースのグラム当たりの高ミリモル7としてCOOH基を導入することができる単位を、カルボキシル基に、ほぼすべてのアルデヒド基に変換します</suP>、安定化剤として作用します。これらのナノ粒子は、electrosterically安定化ナノ結晶セルロース（ENCC）と呼ばれています。また、帯電した毛髪状の突出鎖のソフト層ENCC 17上に存在することが確認されました。この材料は、重金属イオン22を捕捉するために非常に効率的な吸着剤として使用されてきました。これらのナノ粒子の電荷を正確素酸反応時間23を制御することにより制御することができます。
セルロースの既知の酸化反応にもかかわらず、SNCCとENCCの生産は、分離の課題に起因し、おそらく他の研究グループによって報告されていません。我々が正常に正確に反応し、分離工程を設計することにより、ナノ製品の種々の画分を合成し、単離することができました。この視覚資料では、再現性、非晶質と結晶部分の両方を保有する上記の新規なナノウィスカーを準備し、特徴付けるためにどのように完全な詳細に示しています木質繊維からS。このチュートリアルでは、柔らかい材料、生物学、および医薬品科学、ナノテクノロジーとナノフォトニクス、環境科学、工学、物理学の分野で活躍の研究者の資産であってもよいです。
Protocol
Representative Results
Discussion
この視覚的な論文で議論化学に続いて、結晶とアモルファス相（毛むくじゃらのナノ結晶セルロース）の両方を保有する調整可能な電荷を有する高度に安定なセルロース系ナノ粒子のスペクトルが生成されます。 表1に示すように、過ヨウ素酸酸化時間に応じて、様々な製品が得られている：酸化繊維（フラクション1）、SNCC（フラクション2）、及びDAMC（画分3）それらの各々は?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Financial support from an Industrial Research Chair funded by FPInnovations and NSERC for a NSERC Discovery grant and from the NSERC Innovative Green Wood Fiber Products Network are acknowledged.
Materials
| Q-90 softwood pulp | FPInnovations | – | – |
| Sodium periodate | Sigma-Aldrich | S1878-500G/CAS7790-28-5 | Light sensitive, Strong oxidizer, must be kept away from flammable materials |
| Sodium chloride | ACP Chemicals | S2830-3kg/7647-14-5 | – |
| 2-Propanol | Fisher | L-13597/67-63-0 | Flammable |
| Ethylene glycol | Sigma-Aldrich | 102466-1L/107-21-1 | – |
| Sodium hydroxide | Fisher | L-19234/1310-73-2 | Strong base, causes serious health effects |
| Sodium chlorite | Sigma-Aldrich | 71388-250G/7758-19-2 | Reactive with reducing agents and combustible materials |
| Hydrogen peroxide | Fisher | H325-500/7722-84-1 | Corrosive and oxidizing agent, keep in a cool and dark place |
| Ethanol | Commercial alcohols | P016EAAN | Flammable |
| Hydrochloric acid | ACP Chemicals | H-6100-500mL/7647-01-0 | Strong acid, causes serious health effects |
| Hydroxylamine hydrochloride | Sigma-Aldrich | 159417-100G/5470-11-1 | Unstable at high temperature and humidity, mutagenic |
| Centrifuge | Beckman Coulter | J2 | High rotary speed |
| Fixed angle rotor | Beckman Coulter | JA-25.50 | Tighten the lid carefully |
| Dialysis tubing | Spectrum Labs | Spectra (Part No. 132676) | Cutoff Mw = 12-14 kD, Length ~ 30 cm, width ~ 4.5 cm |
| Aluminum cup | VWR | 611-1371 | 57 mm |
| Titrator | Metrohm | 836 Titrando | – |
Referenzen
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