セルロース生体膜の流体イメージングAFM

アプリケーションノート

セルロースは、製紙および繊維製造の主成分として、バイオ燃料として、ならびに食品の増粘剤および安定剤としてなど、幅広い産業および消費者製品用途で使用される天然の線状多糖です。 ポリマーの半透過性は、フィルターとして機能するのに役立ちます。 したがって、修飾セルロース材料は、腎疾患を治療するための透析チューブの生物医学産業でしばしば利用されています。

透析チューブ膜は、分子量カットオフ(MWCO)によって区別されます。 MWCOは、細孔の数と平均細孔径に関連するパラメーターであり、セルロースの鎖長と架橋度によって制御できます。 材料のMWCOは、通過する分子のサイズと通過しない分子のサイズを決定するため、患者の血流から老廃物を除去する際の膜の有効性を決定します。 理想的なろ過特性を備えた生体膜を設計するには、細孔径とトポグラフィーの特性評価が不可欠です。 トポグラフィーが重要な修飾セルロースのもうXNUMXつの用途は、細孔径が薬物のカプセル化の安定性と放出速度に直接影響する薬物送達です。

原子間力顕微鏡(AFM)は、流体中で実行できるため、生体膜トポグラフィーを特徴付けるために一般的に使用される分析手法です。 水和した生体膜をその場で分析することは、乾燥または真空への曝露時に起こりうる収縮や地形への代表的でない変更を回避するのに理想的です。 AFM測定中、カンチレバーの端に吊り下げられた直径数ナノメートルのプローブチップが、表面全体をラスタースキャンします。 チップの動きはカンチレバーの背面で反射するレーザーによって監視され、フィードバックループは、一定のカンチレバーのたわみ(接触モード)またはチップがその共振周波数付近で振動する場合(タッピングモード)の場合、一定の振動振幅を維持します。 一定の偏向または振幅を維持するために必要なフィードバックループの電気信号は、調査中の表面の3Dレンダリングを提供するために高さ情報に変換されます。 このアプリケーションノートでは、流体イメージングAFMを実行して、1000 kDaの透析チューブの細孔サイズを特徴付けます。

実験

AFM画像は、Dimension Icon AFM機器(Bruker、サンタバーバラ、カリフォルニア、米国)とPNP-TR C2プローブ(NanoWorld、Neuchâtel、スイス)を使用してタッピングモードで収集されました。 サンプルを流体セルに取り付け、脱イオン水で分析しました。 10μmx10μmの調査画像が1つ収集され、細孔密度が高い適切なサブ領域が特定されました。 次に、1μmx 3μmの画像が、より高い解像度の条件を使用して収集されました。 これらの画像の地形の違いは、茶色が低く、白が高い色で表されます。 Z範囲は、画像の右側にある縦のスケールバーに表示されます。 これらの表面の透視図(XNUMX-D)も、キャプションに記載されている縦の誇張とともに含まれています。

結果と考察

透析チューブのサンプルでは、​​10μmx10μmのサーベイAFM画像で、密に詰まった垂直に整列したストランドやアクセス可能な細孔を備えた広いウェブ状領域など、さまざまな大規模な地形的特徴が観察されました(図1)。 高密度の細孔を持つサブ領域が高解像度イメージング用に選択され(図2)、いくつかの細孔径が断面分析を使用して測定されました。 セクション分析は、AFM画像全体のライン距離と位置を選択する必要がある後処理方法です。 出力は、高さ対X / Y距離のラインプロファイルグラフで、フィーチャの高さ(または深さ)と横方向の寸法を評価できます。 セクションプロファイルと2D画像の赤と青のカーソルは、測定位置を示します。 下部のボックスの「水平距離」列は、細孔径を報告します(つまり、半値全幅)。 測定された細孔径は13 nmから18 nmの範囲でした(図3)。 追加の場所でのAFM画像と、細孔のより大きなサンプリングを測定するための広範なデータ処理は、透析チューブの特性と性能と相関する可能性のある細孔径の統計を提供します。

図1. 1000kDa透析チューブ(10μmx10μmx 300nm)

図2. 1000kDa透析チューブ(1μmx1μmx 150nm)

図3. 1000kDa透析チューブ(0.25μmx0.25μmx 150nm)、代表的なセクション分析

結論

要約すると、AFMによる液体中の生体膜のイメージングが実証されました。 透析チューブのAFM画像は、材料の物理的および機能的特性に影響を与える可能性のある、さまざまな細孔サイズのネットワークを明らかにしました。 液体中での分析から利益を得る可能性のある他のタイプの柔らかくて繊細なサンプルには、コンタクトレンズ、生体細胞、およびDNAと、乾燥状態から湿潤状態に大幅に変化するその他のサンプルが含まれます。

了承

EAGは、この作業のサンプルと動機を提供してくれたサンタクララ大学のMaryam Mobed-Miremadiに感謝しています。

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