Tillverkning av en funktionaliserad Magnetic bakteriell Nanocellulosa med järnoxid nanopartiklar
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
I denna studie, är bakteriell nanocellulosa (BNC) som produceras av bakterier Gluconacetobacter xylinus syntetiseras och impregneras in situ med järnoxidnanopartiklar (IONP) (Fe 3 O 4) för att ge en magnetisk bakteriell nanocellulosa (MBNC). Syntesen av MBNC är en exakt och särskilt utformade flerstegsprocess. Kortfattat, bakteriell nanocellulosa (BNC) pellicles bildas från bevarade G. xylinus stam enligt våra experimentella krav på storlek och morfologi. En lösning av järn (III) kloridhexahydrat (FeCl3 · 6H 2 O) och järn (II) klorid tetrahydrat (FeCl2 · 4H 2 O) med en 2: 1 molförhållande bereds och späds i deoxygenerat hög renhet vatten. En BNC hinna införes därefter i kärlet med reaktanterna. Denna blandning omröres och upphettas vid 80 ° C i ett silikonoljebad och ammoniumhydroxid (14%) tillsätts sedan genom att släppa för att fälla utferrojoner in i BNC mesh. Det sista steget tillåter formning in situ magnetitnanopartiklar (Fe 3 O 4) inuti bakterienanocellulosa nät för att ge magnetiska egenskaper till BNC hinna. En toxikologisk analys användes för att utvärdera biokompatibiliteten hos BNC-IONP pellikel. Polyetylenglykol (PEG) användes för att täcka de IONPs i syfte att förbättra deras biokompatibilitet. Svepelektronmikroskopi (SEM) bilder visade att IONP lokaliserades företrädesvis i fibrill interlacing utrymmen i BNC matris, men några av dem var också finns längs BNC band. Magnetisk kraft mikroskop mätningar utförda på MBNC upptäckte närvaron magnetiska domänerna med hög och svag intensitet magnetfält, vilket bekräftar den magnetiska karaktär MBNC hinna. Youngs modulvärden som erhölls i detta arbete är också i en rimlig överensstämmelse med de som rapporterats för flera blodkärl i tidigare studier.
Introduction
Den bacterian nanocellulosa (BNC) syntetiseras av Acetobacter xylinum-stam, även känd som Gluconacetobacter xylinus, och deponeras i form av filmer eller pellicles på luft-vätskegränsytan under stationär odling. Dessa BNC pellicles anta formen av behållaren där de odlas, och deras tjocklek beror på det antal dagar i odling. A. xylinus använder glukos i mediet för syntes av cellulosa mikrofibriller genom en process för polymerisation och efterföljande kristallisation. Polymerisationen av glukosrester utföres vid det bakteriella extracellulära membranet där glukan kedjor extruderas från enstaka porer fördelade över cellhölje. Kristallisation av de cellulosa mikrofibriller förekommer i det extracellulära utrymmet med bildandet av glukan kedja ark genom van der Waals-bindning, följt av stapling av arken genom H-bindning 1.
Magnetic nanopartiklar som integreras för att en BNC matris kan manipuleras enkelt genom ett yttre magnetfält för att öka den kraft som är nödvändig för att rikta och begränsa glatta muskelceller (SMC) innehållande magnetiska nanopartiklar, vid skadade platsen av artärväggen. Denna strategi håller SMC bort från andra vävnader, och håller cellerna på plats mot kraften som utövas av blodflödet. Det har visats att SMC spelar en viktig roll i vasoelasticity av blodkärlet, där de bildar rikligt skikt belägna huvudsakligen i tunica media 2.
Den metod som används för syntes av MBNC involverar BNC hinnan nedsänkt och omrördes i en lösning av järn (III) klorid-hexahydrat och järn (II) kloridtetrahydrat vid 80 ° C. Ammoniumhydroxid tillsätts till att bilda järnoxidnanopartiklar inuti BNC mesh. Tillsats av ammoniumhydroxid ändrar färg på lösningen från orange till svart. Den IONPs kompakta tillsammans längs BNC fibrills med en icke-enhetlig fördelning.
Detta protokoll är inriktat på utformningen av en bakteriell nanocellulosa magnetisk nanopartiklar hinna, som vi kallar magnetisk bakteriell nanocellulosa (MBNC), som är avsedd att användas som ett substitut för saknade, skadade eller skadade blodkärl med liten diameter. HS Barud och medarbetare har nyligen publicerat en liknande arbete för att producera en BNC-baserad flexibel magnetisk papper genom att blanda BNC pellicles i en stabil vattendispersion av PEG och superpara järnoxid nanopartiklar 3. Här beskriver vi produktionen av bakteriecellulosa och dess impregnering in situ med magnetiska nanopartiklar. En cytotoxicitetsanalys baseras på detektering av enstaka DNA-strängbrott användes för att testa biokompatibiliteten hos BNC och MBNC pellicles.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tjockleken och storleken av BNC hinnan lätt kan manipuleras genom att ändra inkubationstiden och storleken på kolven i vilket det odlas under statisk odling. De microproperties av BNC, såsom porositet, kan modifieras genom att ändra syreförhållande i statisk odling. Högre syrehalter ger hårdare BNC 11. A. Bodin och medarbetare producerade rör av BNC med ett bristningstryck på upp till 880 mm Hg genom att ändra syreförhållande från atmosfäriskt syre till 100% syre under jäsningsprocessen av <e…
Divulgazioni
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 | |
Riferimenti
- 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).
