셀룰로오스 바이오 막의 유체 이미징 AFM

애플리케이션 노트

셀룰로오스는 종이 및 직물 제조의 주요 성분, 바이오 연료, 식품의 증점제 및 안정제를 포함하여 광범위한 산업 및 소비자 제품 응용 분야에 사용되는 자연 발생 선형 다당류입니다. 중합체의 반투과성은 필터로서 기능하기에 적합하다; 따라서, 변형 된 셀룰로오스 물질은 종종 생체 의학 산업에서 신장 질환을 치료하기 위해 투석 튜브에서 이용된다.

투석 튜브 막은 분자량 컷오프 (MWCO)에 의해 구별됩니다. MWCO는 기공 수 및 평균 기공 크기와 관련된 파라미터이며, 이는 셀룰로오스 사슬 길이 및 가교 정도에 의해 제어 될 수있다. 물질의 MWCO는 어떤 크기의 분자가 통과하거나 통과하지 않을지를 지시하여 환자의 혈류에서 폐기물을 제거하는 데 막의 효과를 결정합니다. 이상적인 여과 특성을 가진 생체막을 설계하려면 기공 크기와 지형 특성을 결정해야합니다. 토포 그래피가 중요한 변형 된 셀룰로스의 다른 적용은 기공 크기가 약물 캡슐화 안정성 및 방출 동역학에 직접 영향을 미치는 약물 전달이다.

원자력 현미경 (AFM)은 유체에서 수행 될 수 있기 때문에 생체막 지형을 특성화하기 위해 일반적으로 사용되는 분석 기술입니다. 현장에서 수화 된 생체막을 분석하는 것은 건조 또는 진공 노출시 지형의 축소 및 비 대표적 변경을 피하기 위해 이상적입니다. AFM 측정 중에 직경이 수 나노 미터이고 캔틸레버 끝에 매달려있는 프로브 팁이 표면을 가로 질러 래스터 스캔됩니다. 팁 움직임은 캔틸레버의 후면에서 반사 된 레이저에 의해 모니터링되며 팁 루프가 팁이 공진 주파수 근처에서 진동하는 경우 일정한 캔틸레버 편향 (접촉 모드) 또는 일정한 진동 진폭을 유지합니다 (탭핑 모드). 일정한 편향 또는 진폭을 유지하는 데 필요한 피드백 루프의 전기 신호는 높이 정보로 변환되어 조사중인 표면의 3D 렌더링을 제공합니다. 이 애플리케이션 노트에서, 유체 이미징 AFM은 1000kDa 투석 튜브의 기공 크기를 특성화하기 위해 수행됩니다.

실험적

AFM 이미지는 Dimension Icon AFM 기기 (Bruker, Santa Barbara, USA, California) 및 PNP-TR C2 프로브 (NanoWorld; Neuchâtel, Switzerland)를 사용하여 태핑 모드에서 수집되었다. 샘플을 유체 셀에 장착하고 탈 이온수에서 분석 하였다. 하나의 10μm x 10μm 조사 이미지를 수집하여 높은 기공 밀도를 갖는 적합한 하위 영역을 식별했습니다. 그런 다음 더 높은 해상도 조건을 사용하여 1μm x 1μm 이미지를 수집했습니다. 이 이미지의 지형 차이는 갈색이 낮고 흰색이 높은 색상으로 표시됩니다. z 범위는 이미지 오른쪽의 수직 스케일 바에 표시됩니다. 이 서피스의 투시도 (3D)는 캡션에 표시된 세로 과장과 함께 포함됩니다.

결과 및 토의

투석 튜브 샘플에서 10μm x 10μm 측량 AFM 이미지 (예 : 밀집 포장, 수직 정렬 스트랜드 및 접근 가능한 기공이있는 넓은 웹 베드 영역)에서 다양한 대규모 지형 특성이 관찰되었습니다 (그림 1). 고분해능 이미징을 위해 고밀도의 기공을 가진 하위 영역을 선택하고 (그림 2) 단면 분석을 사용하여 여러 기공 직경을 측정했습니다. 단면 분석은 AFM 이미지에서 선 거리와 위치를 선택하는 후 처리 방법입니다. 출력은 형상 높이 (또는 깊이) 및 측면 치수에 대해 평가할 수있는 높이 대 X / Y 거리의 선 프로파일 그래프입니다. 단면 프로파일 및 2D 이미지의 빨간색 및 파란색 커서는 측정 위치를 나타냅니다. 하단 상자의 '수평 거리'열은 기공 직경을보고합니다 (예 : 최대 절반에서 전체 폭). 측정 된 기공 직경은 13nm 내지 18nm의 범위였다 (도 3). 추가 위치에서의 AFM 이미지 및 더 큰 기공 샘플링을 측정하기위한 광범위한 데이터 처리는 투석 튜브 특성 및 성능과 상관 될 수있는 기공 직경 통계를 제공 할 것이다.

그림 1. 1000kDa 투석 튜브 (10μm x 10μm x 300nm)

그림 2. 1000kDa 투석 튜브 (1μm x 1μm x 150nm)

그림 3. 1000kDa 투석 튜브 (0.25μm x 0.25μm x 150nm), 대표적인 단면 분석

결론

요약하면, AFM에 의한 유체 중의 생체막의 영상화가 입증되었다. 투석 튜브의 AFM 이미지는 다양한 기공 크기의 네트워크를 나타내었고, 이는 물질의 물리적 및 기능적 특성에 영향을 줄 수있다. 액체 분석으로 혜택을 볼 수있는 다른 종류의 부드럽고 섬세한 샘플에는 콘택트 렌즈, 생물학적 세포 및 DNA 및 건조 상태에서 습식 상태로 실질적으로 변하는 기타 샘플이 포함됩니다.

승인

EAG는 Santa Clara University의 Maryam Mobed-Miremadi에게이 작업에 대한 샘플과 동기 부여를 제공 한 것에 감사합니다.

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