Fabricage van een gefunctionaliseerd Magnetic Bacterial Nanocellulose met ijzeroxide Nanodeeltjes
Summary
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.
Abstract
In deze studie wordt bacteriële nanocellulose (BNC) geproduceerd door de bacteriën Gluconacetobacter xylinus gesynthetiseerd en geïmpregneerd in situ met ijzeroxide nanodeeltjes (IONP) (Fe 3 O 4) een magnetische bacteriële nanocellulose (MBNC) werd verkregen. De synthese van MBNC is nauwkeurig en specifiek meerstapsproces. Kort samengevat, bacteriële nanocellulose (BNC) pellicles zijn gevormd uit bewaard G. xylinus stam volgens onze experimentele eisen van de grootte en morfologie. Een oplossing van ijzer (III) chloride hexahydraat (FeCl3 · 6H 2 O) en ijzer (II) chloride-tetrahydraat (FeCl2 · 4H 2 O) met een 2: 1 molaire verhouding wordt bereid en verdund in gedeoxygeneerd zuiver water. Een BNC vliesje wordt vervolgens ingebracht in het vat met de reactanten. Dit mengsel wordt geroerd en bij 80 ° C in een silicone oliebad en ammoniumhydroxide (14%) verhit wordt vervolgens druppelsgewijs toegevoegd aan het precipitaatferro-ionen in de BNC-mesh. Deze laatste stap maakt het vormen van in situ magnetiet nanodeeltjes (Fe 3 O 4) in de bacteriële nanocellulose gaas om magnetische eigenschappen te BNC vlies te verlenen. Een toxicologisch assay werd gebruikt om de biocompatibiliteit van het BNC-IONP vliesje evalueren. Polyethyleenglycol (PEG) werd gebruikt om de IONPs dekken om hun biocompatibiliteit te verbeteren. Scanning elektronenmicroscopie (SEM) foto's toonden aan dat de IONP voorkeur waren in het fibril interlacing ruimten van de BNC matrix, maar sommige van hen werden ook gevonden langs de BNC linten. Magnetic Force Microscopy metingen uitgevoerd op de MBNC gedetecteerde aanwezigheid magnetische domeinen met een hoge intensiteit en zwak magnetisch veld, de bevestiging van de magnetische aard van de MBNC vlies. Young's modulus waarden verkregen in dit werk zijn ook in redelijke overeenstemming met die gerapporteerd voor verschillende bloedvaten in eerdere studies.
Introduction
De bacterian nanocellulose (BNC) wordt gesynthetiseerd door Acetobacter xylinum stam, ook bekend als Gluconacetobacter xylinus en in de vorm van films of pellicles op de lucht-water grensvlak afgezet tijdens stationaire kweek. Deze BNC pellicles nemen de vorm van de container waar zij worden gekweekt, en de dikte is afhankelijk van het aantal dagen in kweek. A. xylinus gebruikt de glucose in het medium voor de synthese van de cellulose microfibrillen door een proces van polymerisatie en daaropvolgende kristallisatie. De polymerisatie van de glucose residuen bij de bacteriële extracellulaire membraan wanneer glucanketens geëxtrudeerd uit één poriën verdeeld over de celenvelop uitgevoerd. De kristallisatie van de cellulose microfibrillen plaatsvindt in de extracellulaire ruimte onder vorming van glucaanketen vellen door van der Waals binding, gevolgd door het stapelen van de vellen door H-binding 1.
Magneetic nanodeeltjes geïntegreerd zijn BNC matrix kan gemakkelijk worden gemanipuleerd door een extern magnetisch veld om de kracht die nodig is om directe en beperken gladde spiercellen (SMC) met magnetische nanodeeltjes, toenemen met de aangetaste locatie van de vaatwand. Deze strategie houdt de SMC buurt van andere weefsels, en houdt de cellen in plaats tegen de kracht uitgeoefend door de bloedstroom. Het is aangetoond dat SMC's een belangrijke rol spelen bij de vasoelasticity van het bloedvat, wanneer zij deel overvloedige lagen voornamelijk in de tunica media 2.
De werkwijze voor de synthese van MBNC omvat BNC vlies ondergedompeld en geroerd in een oplossing van ijzer (III) chloride hexahydraat en ijzer (II) chloride-tetrahydraat bij 80 ° C. Ammoniumhydroxide toegevoegd ijzeroxide nanodeeltjes binnen de BNC maas vormen. De toevoeging van ammoniumhydroxide verandert de kleur van de oplossing van oranje naar zwart. De IONPs compact bij elkaar langs de BNC fibrils met een niet-uniforme verdeling.
Dit protocol is gericht op het ontwerp van een bacteriële nanocellulose nanodeeltje vlies, die wij genoemd magnetisch bacteriële nanocellulose (MBNC), die bedoeld is om te gebruiken als vervanging voor ontbrekende, beschadigd of verwond kleine diameter bloedvaten. HS Barud en collega's hebben onlangs een soortgelijke werkzaamheden van een BNC-gebaseerde flexibele magnetische papier te produceren door het mengen van BNC pellicles in een stabiele waterige dispersie van PEG en superparamagnetische ijzeroxide nanodeeltjes 3 gepubliceerd. Hier beschrijven we de productie van bacterieel cellulose en impregnering in situ met magnetische nanodeeltjes. Een cytotoxiciteit-assay gebaseerd op detectie van enkelvoudige DNA breuken werd gebruikt om de biocompatibiliteit van de BNC en MBNC pellicles testen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De dikte en afmeting van de BNC vlies kan eenvoudig worden gemanipuleerd door het veranderen van de incubatietijd en de grootte van de kolf waarin zij gekweekt in statische kweek. De microproperties van de BNC, zoals poreusheid, kan worden gewijzigd door het veranderen van de zuurstof verhouding in de statische kweek. Hogere zuurstofconcentraties opleveren taaiere BNC 11. A. Bodin en medewerkers geproduceerde buizen BNC met een barstdruk tot 880 mm Hg door verandering van de zuurstof verhouding van zuurstof t…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was funded by Department of Defense under contract No. W81XWH-11-2-0067
Materials
| 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 | |
References
- Saxena, I. M., Brown, R. M. Biosynthesis of bacterial cellulose. Bacterial Nanocellulose: A Sophisticated Multifunctional Material. , 1-18 (2012).
- Chan-Park, M. B., Shen, J. Y. Biomimetic control of vascular smooth muscle cell morphology and phenotype for functional tissue-engineered small-diameter blood vessels. J.Biomed.Mater.Res.A. 88, 1104-1121 (2009).
- Barud, H. S., et al. Biocellulose-based flexible magnetic paper. J. Appl. Phys. 117, (2015).
- Märtson, M., Viljanto, J., Hurme, T., Laippala, P., Saukko, P. Is cellulose sponge degradable or stable as implantation material? An in vivo subcutaneous study in the rat. Biomaterials. 20, 1989 (1999).
- Illésa, E., Tombácza, E., Szekeresa, M., Tótha, I., Szabób, &. #. 1. 9. 3. ;., Iván, B. Novel carboxylated PEG-coating on magnetite nanoparticles designed for biomedical applications. J. Magn. Magn. Mater. 380, 132 (2015).
- Torrisi, V., et al. Preventing corona effects: multiphosphonic acid poly(ethylene glycol) copolymers for stable stealth iron oxide nanoparticles. Biomacromolecules. 15, 3171 (2014).
- Cai, Z., Kim, J. Bacterial cellulose/poly(ethylene glycol) composite: characterization and first evaluation of biocompatibility. Cellulose. 17, 83 (2010).
- Wu, W., He, Q., Jiang, C. Magnetic iron oxide nanoparticles: synthesis and surface functionalization strategies. Nanoscale Res. Lett. 3, 397-415 (2009).
- Ulbricht, J., Jordan, R., Luxenhofer, R. On the biodegradability of polyethylene glycol, polypeptoids and poly (2-oxazoline)s. Biomaterials. 35, 4848 (2014).
- Azqueta, A., Collins, A. R. The essential comet assay: a comprehensive guide to measuring DNA damage and repair. Arch. Toxicol. 87 (6), 949-968 (2013).
- Scherner, M., et al. In vivo application of tissue-engineered blood vessels of bacterial cellulose as small arterial substitutes: proof of concept. J. Surg. Res. 189, 340 (2014).
- Bodin, A., et al. Influence of cultivation conditions on mechanical and morphological properties of bacterial cellulose tubes. Biotechnol Bioeng. 97, 425 (2007).
- Zaborowska, M., et al. Microporous bacterial cellulose as a potential scaffold for bone regeneration. Acta Biomaterialia. 6, 2540 (2010).
- Karimi, A., et al. A comparative study on the mechanical properties of the umbilical vein and umbilical artery under uniaxial loading. Artery Res. 8, 51 (2014).
- Lina, F., Ping, Z., Shengmin, Z., Guang, Y. Evaluation of bacterial nanocellulose-based uniform wound dressing for large area skin transplantation. Mater. Sci. Eng. C. 33, 2995 (2013).
- Olsson, R. T., et al. Making flexible magnetic aerogels and stiff magnetic nanopaper using cellulose nanofibrils as templates. Nature Nanotech. 5 (8), 584-588 (2010).
- Torre, B., et al. Magnetic force microscopy and energy loss imaging of superparamagnetic iron oxide nanoparticles. Sci. Rep. 1 (202), 1-8 (2011).
