Изготовление функционализированного магнитной Бактериальный Nanocellulose с оксида железа наночастицами
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
В этом исследовании, бактериальный nanocellulose (BNC) , продуцируемые бактериями Gluconacetobacter xylinus синтезируется и пропитывают на месте с наночастицами оксида железа (IONP) (Fe 3 O 4) с получением магнитного бактериальной nanocellulose (MBNC). Синтез MBNC является точным и специально разработан многоэтапный процесс. Коротко, бактериальный nanocellulose (BNC) Плёночные образуются из сохранившегося G. Штамм xylinus согласно нашим экспериментальным требованиям размера и морфологии. Раствор железа (III) гексагидрата хлорида (FeCl 3 · 6H 2 O) и железа (II) тетрагидрата хлорида (FeCl 2 · 4H 2 O) с 2: мольном соотношении 1 получают и разводят в обедненной кислородом воды высокой степени чистоты. Пленочную BNC затем вводят в сосуд с реагентами. Эту смесь перемешивают и нагревают при 80 ° С в масляной ванне кремния и гидроксида аммония (14%), затем добавляют отбрасыванием для осажденияионов железа в сетке BNC. Этот последний шаг позволяет формировать наночастицы магнетита (Ситу Fe 3 O 4) внутри бактериальной nanocellulose сетки , чтобы придать магнитные свойства BNC налетом. Токсикологической анализ использовали для оценки биосовместимости пелликулой BNC-IONP. Полиэтиленгликоль (ПЭГ) был использован для покрытия IONPs для того, чтобы улучшить их биосовместимость. С помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) изображения показали, что IONP располагались преимущественно в фибриллы переплетение пространства матрицы BNC, но некоторые из них были также найдены вдоль ленты BNC. Магнитные измерения силы микроскопа, выполненные на MBNC обнаружили присутствие магнитных доменов с высокой и слабой интенсивности магнитного поля, что подтверждает магнитную природу пелликулой MBNC. Значения модуля Юнга, полученные в этой работе также находятся в разумном согласии с теми, сообщили несколько кровеносных сосудов в предыдущих исследованиях.
Introduction
Bacterian nanocellulose (BNC) синтезируется Acetobacter xylinum штамма, также известный как Gluconacetobacter xylinus и откладываются в виде пленок или Плёночные на границе раздела воздух-жидкость во время стационарной культуры. Эти Плёночные BNC принимают форму контейнера , где их выращивают, а их толщина зависит от количества дней в культуре. А. xylinus использует глюкозы в среде для синтеза микрофибрилл целлюлозы с помощью процесса полимеризации и последующей кристаллизации. Полимеризация остатков глюкозы проводят при бактериальной внеклеточной мембране, где глюкан цепи выдавливают из одиночных пор, распределенных по клеточной оболочки. Кристаллизация микрофибрилл целлюлозы происходит во внеклеточном пространстве с образованием глюкана цепи листов ван – дер – ваальсовых связей с последующей укладкой листов с помощью Н-связи 1.
МагнитНаночастицы IC, интегрированные в матрицу BNC можно легко манипулировать с помощью внешнего магнитного поля для того, чтобы увеличить силу, необходимую, чтобы направить и ограничить гладкомышечных клеток (SMCS), содержащий магнитные наночастицы, на поврежденном участке артериальной стенки. Эта стратегия удерживает SMCs от других тканей, а также удерживает клетки на месте против силы, прикладываемой с помощью кровотока. Было показано , что SMCs играют важную роль в vasoelasticity кровеносного сосуда, где они образуют обильные слои , расположенные в основном в средней части оболочки 2.
Метод, используемый для синтеза MBNC включает BNC пелликула погружают и перемешивают в растворе железа (III) гексагидрата хлорида железа и хлорид (II), тетрагидрат при 80 ° C. Гидроксид аммония добавляют с образованием наночастиц оксида железа внутри меша BNC. Добавление гидроксида аммония приводит к изменению цвета раствора от оранжевого до черного. IONPs компактный вместе вдоль фибриллы BNCс с неравномерным распределением.
Этот протокол фокусируется на разработке бактериального nanocellulose-магнитные наночастицы налетом, который мы назвали магнитной бактериальная nanocellulose (MBNC), который предназначен для использования в качестве замены отсутствующих, поврежденных малого диаметра кровеносных сосудов. HS Barud и его коллеги недавно опубликовали подобную работу , чтобы произвести BNC на основе гибкого магнитного бумаги путем смешивания BNC Плёночные в стабильной водной дисперсии ПЭГ и наночастиц оксида железа суперпарамагнит- 3. Здесь мы описываем производство бактериальной целлюлозы и ее пропитку на месте с магнитными наночастицами. Пробирного цитотоксичность, основанный на обнаружении одного разрывов ДНК использовали для тестирования биосовместимости Плёночные BNC и MBNC.
Protocol
Representative Results
Discussion
Толщина и размер пелликулой BNC можно легко манипулировать путем изменения времени инкубации и размер колбы, в которой она выращена при статическом культивировании. В microproperties из БНК, такие как пористость, может быть изменена путем изменения соотношения кислорода в статической культур?…
Disclosures
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).
