AFM d'imagerie fluide de bio-membranes cellulosiques

NOTE D'APPLICATION

La cellulose est un polysaccharide linéaire naturel utilisé dans une large gamme d'applications de produits industriels et de consommation, notamment en tant qu'ingrédient principal dans la fabrication du papier et du textile, en tant que biocarburant, et en tant qu'agent épaississant et stabilisant dans les produits alimentaires. La semi-perméabilité du polymère se prête bien à fonctionner comme un filtre; par conséquent, les matériaux cellulosiques modifiés sont souvent utilisés dans l'industrie biomédicale dans les tubes de dialyse pour traiter les maladies rénales.

Les membranes des tubes de dialyse sont différenciées par leurs seuils de poids moléculaire (MWCO). Le MWCO est un paramètre lié au nombre de pores et à la taille moyenne des pores, qui peut être contrôlé par la longueur de la chaîne cellulosique et par le degré de réticulation. Le MWCO d'un matériau déterminera la taille des molécules qui passeront ou non et déterminera ainsi l'efficacité de la membrane à éliminer les déchets de la circulation sanguine d'un patient. La caractérisation de la taille des pores et de la topographie sera essentielle pour concevoir des bio-membranes aux propriétés de filtration idéales. Une autre application de la cellulose modifiée dans laquelle la topographie est critique est l'administration de médicaments où la taille des pores a un impact direct sur la stabilité d'encapsulation des médicaments et la cinétique de libération.

La microscopie à force atomique (AFM) est une technique analytique couramment utilisée pour caractériser la topographie de la membrane biologique, car elle peut être effectuée dans un fluide. L'analyse des bio-membranes hydratées in situ est idéale pour éviter tout rétrécissement possible et altérations non représentatives de la topographie lors du séchage ou de l'exposition au vide. Lors d'une mesure AFM, une pointe de sonde de plusieurs nanomètres de diamètre et suspendue à l'extrémité d'un cantilever est scannée en trame sur une surface. Le mouvement de la pointe est surveillé par un laser réfléchi à l'arrière du cantilever et une boucle de rétroaction maintient soit une déflexion en porte-à-faux constante (mode de contact), soit une amplitude de vibration constante si la pointe oscille près de sa fréquence de résonance (mode de tapotement). Le signal électrique dans la boucle de rétroaction nécessaire pour maintenir une déviation ou une amplitude constante est converti en informations de hauteur pour fournir un rendu 3D de la surface étudiée. Dans cette note d'application, l'AFM d'imagerie fluide est réalisée pour caractériser la taille des pores de la tubulure de dialyse 1000 kDa.

EXPERIMENTAL

Les images AFM ont été collectées en mode taraudage à l'aide d'un instrument Dimension Icon AFM (Bruker, Santa Barbara, Californie, USA) et d'une sonde PNP-TR C2 (NanoWorld; Neuchâtel, Suisse). L'échantillon a été monté dans une cellule fluide et analysé sous eau déionisée. Une image d'enquête de 10 μm x 10 μm a été collectée pour identifier une sous-région appropriée qui avait une densité de pores élevée. Ensuite, une image de 1 μm x 1 μm a été collectée en utilisant des conditions de résolution plus élevées. Les différences de topographie de ces images sont présentées dans des couleurs où le brun est faible et le blanc est élevé. Les plages z sont notées sur la barre d'échelle verticale sur le côté droit des images. Des vues en perspective (3-D) de ces surfaces sont également incluses avec des exagérations verticales notées dans les légendes.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Sur l'échantillon de tubulure de dialyse, une variété de caractéristiques topographiques à grande échelle ont été observées dans l'image AFM de relevé de 10 μm x 10 μm, telles que des brins étroitement alignés verticalement et de larges régions palmées avec des pores accessibles (figure 1). Une sous-région avec une haute densité de pores a été sélectionnée pour l'imagerie à haute résolution (figure 2) et plusieurs diamètres de pores ont été mesurés à l'aide d'une analyse en coupe. L'analyse de section est une méthode de post-traitement qui consiste à sélectionner une distance et une position de ligne sur l'image AFM. Le résultat est un graphique de profil de ligne de la hauteur en fonction de la distance X / Y qui peut être évalué pour la hauteur (ou la profondeur) de l'entité et les dimensions latérales. Les curseurs rouge et bleu dans les profils de coupe et les images 2D indiquent les emplacements de mesure. La colonne «Distance horizontale» dans la case du bas indique les diamètres des pores (c'est-à-dire ~ pleine largeur à la moitié maximum). Les diamètres des pores mesurés variaient de 13 nm à 18 nm (figure 3). Des images AFM à d'autres emplacements et un traitement de données approfondi pour mesurer un plus grand échantillonnage de pores fourniraient des statistiques sur le diamètre des pores qui pourraient être corrélées avec les propriétés et les performances des tubes de dialyse.

Figure 1. Tube de dialyse de 1000 kDa (10 μm x 10 μm x 300 nm)

Figure 2. Tube de dialyse de 1000 kDa (1 μm x 1 μm x 150 nm)

Figure 3. Tubes de dialyse de 1000 0.25 kDa (0.25 μm x 150 μm x XNUMX nm), analyse en coupe représentative

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