Name: 固体材料を封入する細菌セルロース球 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-02-26T15:00:00.000+00:00
Duration: 4 min 42 s
Description: 学ぶ 細菌セルロース球の簡便な製造法と固体粒子封入技術。環境修復や制御放出システムへの応用可能性を持つ、低コストで再現性のあるバイオマテリアル作成手法を解説します。

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この作品は、アドルフォ・マルティネス、キャサリン・マルホランド、タイラー・サマヴィル、ローレル・ビッターマンによるモンタナ工科大学研究アシスタントメンターシッププログラムプロジェクトの継続です。研究は、グラントNo.の下で国立科学財団によって後援されました。OIA-1757351および戦闘能力開発司令部陸軍研究所(協同協定番号W911NF-15-2-0020)。この資料で表明された意見、調査結果、結論、または勧告は著者のものであり、必ずしも国立科学財団または陸軍研究所の見解を反映しているわけではありません。また、エイミー・クエンジ、リー・リチャーズ、ケイトリン・アレー、クリス・ギャモンズ、マックス・ヴォルゲナント、クリス・ボッシュの貢献に感謝します。

細菌性セルローススターター培養の作成と維持
<ol><li>細菌セルロースのスターター培養物を、約50g、SCOBYの形態で得る。商業的に購入することができます(例えば、健康のための文化から)。SCOBYをペーパータオルで覆われた1 Lビーカーに入れる。</li>
	<li>700mLの脱イオン水を沸騰させ、SCOBYを含む容器から別の容器に移し、85gのスクロースを加えます。</li>
	<li>ショ糖が溶けたら、紅茶(4.87g)を2袋加えます。お茶を1時間急いでから、かき混ぜたロッドを使用してティーバッグを慎重に取り出します。</li>
	<li>お茶に蒸留白酢200mLを加えます。混合物を25°Cに冷却させる。 冷却したら、SCOBYを含むビーカーに室温ティー700mLを加えます。 注意:熱すぎる間に酸性茶を加えると、SCOBYの生物に害を与える可能性があります。</li>
	<li>ビーカーをペーパータオルで覆い、弾性バンドで固定し、温度が25°Cのストレージエリアにビーカーを置きます。 この船は一般的にストックカルチャーまたはホテルと呼ばれています。</li>
	<li>SCOBYを健康に保つには、月に2回程度のメンテナンスが必要です。<ol>
<li>手袋をはめた手を使ってSCOBYマットを押さえ、ホテルから別のビーカーに液体を排出します。液体と容器に、溶液の合計700 mLのための十分な酸性茶を加えます。</li>
		<li>65gのスクロースを酸性茶で容器に溶かします。スクロースが溶けるのを待つ間、慎重にDI水でSCOBYマットをすすいでください。</li>
		<li>ショ糖が完全に溶解したら、液体をすすいでSCOBYマットを含むビーカーに添加することができます。ビーカーを覆い、インキュベーションエリアに戻します。</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. 細菌セルロース球の製造
注: 熱湯を使用する場合は注意してください。ガラス製品が沸騰水温に耐えることができ、欠陥がなく、適切なサイズであることを確認してください。BC球体の生産を説明する回路図を 図1に示します。
<ol><li>350mLの脱イオン水を湯釜で沸騰させます。500 mL ビーカーに熱湯を移します。42.5gのグラニュー糖のショ糖を攪拌棒を用いてお湯に溶かす。</li>
	<li>スクロースが完全に溶解すると、スクロースと水を含むフラスコに1袋の紅茶(2.54g)が1時間浸る。その後、かき混ぜ棒でティーバッグを取り出し、ティーバッグを壊さないように気をつけて、ゴミ箱に捨てます。</li>
	<li>蒸留した白酢100mLをビーカーに加え、十分に混ぜます。酸性茶混合物80 mLを250 mLバッフルフラスコに移す。お茶の混合物を室温、20〜25°Cに冷却させます。 注:この時点で、混合物は一晩、または次のステップのために準備されるまで冷却するために残すことができます。</li>
	<li>液体温度が室温(20〜25°C)に入ったら、バッフルフラスコに20mLの微生物スターター培養液を加えます。この液体は、SCOBYホテルから入手することができます。パラフィルムでフラスコを覆います。</li>
	<li>バッフルフラスコを軌道シェイクテーブルに置き、速度を毎分125回転(rpm)に設定します。20~25°Cの温度で室内またはインキュベーターで3日間揺れ、BC球体を生成します。 注意:フラスコの内容物に不規則な形状が形成される場合、またはセルロースの塊がフラスコの壁に付着する場合は、さらに不規則なBC塊が形成されるのを防ぐために除去する必要があります。ピンセットを使用して、薄い弦、リング、筒状の形状、その他の明らかに非球状の形状など、不要なBC質量を除去します。</li>
	<li>球体が形成されたら、フラスコからそっと注ぎ、本論文に記載されていない方法で分析、処分、または使用します。</li>
</ol>3. 細菌セルロース球を用いて、粒子や汚染物質を封入する
<ol><li>上記 の手順 2.1 ~2.5 に 従ってください。</li>
	<li>3日間振盪した後、約0.01gの細かく粉砕された粒子状物質をバッフルフラスコに加えます。適切な固形物には、バイオチャール(260±140 μm)、鉱山廃棄物(350±140 μm)、ポリスチレンマイクロビーズ(3μm)が含まれます。これらの資料のデータは、 代表結果 セクションに概説されています。バイオチャー、鉱山廃棄物、マイクロビーズの詳細については、付属の 資料表 をご覧ください。</li>
	<li>パラフィルムでフラスコを再び覆い、さらに3日間同じ速度と周囲温度(20〜25°C)を使用して軌道シェーカーに戻します。BC カプセル化されたパーティクルを削除して、解析、廃棄、またはその他の用途に使用します。</li>
</ol><img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62286/62286fig01.jpg"> 図 1.細菌セルロース球の作製および固体粒子の封入。 ステップ1は、細菌ストック培養と紅茶、砂糖、酢培地をバッフルフラスコに組み合わせることを含む。ストック カルチャのディスクは BC マットを表します。次いで、バッフルフラスコを3日間軌道揺れテーブルに置く。中央のステップは、BC球体が形成されるとフラスコに添加される固体を示しています。フラスコはさらに3日間振られます。最後のステップでは、BC球体はサイズが増加し続け、固体粒子を封入しました。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62286/62286fig01large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>

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</ol>

著者らは開示するものは何もない。

このプロトコルは、BC球体の生産方法と、実施が容易で費用対効果の高いカプセル化方法を概説しています。元のプロトコルに対する様々な調整によって、適切なプロセスが特定されました。有効な球体を確保するには、重要な手順に従う必要があります。BC形成に関与するすべての成分は、球体の健康と耐久性において重要な役割を果たしています。スクロースは生物に餌を与え、茶は窒素を供給し、酢は望ましくない汚染物質28を防ぐために最適な条件にpHを下げる。この方法のもう一つの重要な変数は温度です。微生物のスターター培養を加える前に、茶を室温(約25°C)まで冷却する必要があります。生物が高温にさらされると、BC球の成長が阻害される。フラスコが揺れている部屋の温度も球体の成長3、28、29に影響を与えます。室温で30°C以上の揺れが不規則なBC形状を形成する(図4A)。カプセ...

細菌セルロース(BC)は、その機械的強度、高純度および結晶性、保水能力、および複雑な繊維構造1、2、3、4のために、その潜在的な産業の使用のために注目されている。これらの特性は、生物医学、食品加工、環境修復法を含む様々な用途に適した生体材料であるBCを1.BCフィルムの形成は、単一の生物培養物または昆布茶5、発酵茶飲料に使用されるもののような混合培養物で行うことができる。醸造昆布茶は、一般的にSCOBYとして知られている「細菌と酵母の共生培養」に依存しています。生物のこの共生文化を用いて、BC球体を作り出すために同様の技術が用いられた。この生体材料は、より効率的な作物生産を達成するために、環境汚染物質を分離し、バイオチャーのような農業改正を固定するのに役立つ可能性があります。
以前の文献では、攪拌状態で生成されたBCの特性が静止培養で生産されたBCと比較してどのように議論されてきた。静止培養は液体空気界面で形成されるフィルムをもたらし、振られた培養物は液体6内に浮遊する様々なBC粒子、ストランド、および球体をもたらす。多くの研究は、BCの商業生産は、この論文の方法を適用するための根拠を提供する動的な条件6、7でより実現可能であるという主張を参照しています。さらに、BC球体の構造や性質に関する様々な調査が行われています。豊崎ら6は、動揺したBC生産におけるバッフルと滑らかな壁のエルレンマイヤーフラスコを比較した。HuとCatchmark4の研究では、現在のBC球体生産プロセスのガイドラインとして使用されたBC球体の条件が決定され、その結果は、球体のサイズが60時間後に増加し続けないことを示しています。MohammadらのBC生産のレビューは、BC培養を揺るがすことで、BCの成長を成功させるために必要な酸素供給と分布さえ保証することを示している。オランダ等は、X線回折とフーリエ変換赤外分光法を用いてBCの結晶性と化学構造を研究した。BCカプセルも同様の特徴を示し、今後の研究では構造特性を調査する。研究はまた、改善されたバイオコンポジットを生成するためにBCを使用することの有益な効果を探っています。.研究者は、エポキシ樹脂をベースとして、BCの添加により疲労寿命、破壊靭性、引張および曲げ強度9,10などの材料特性が向上することを示している。過去と現在の研究で示されるように、多くはBCの使用を商品化することに興味を持っています。
多くの研究者は、制御放出系で細菌セルロースを調査しており、ここで説明する方法は、制御放出システムとして利用できるカプセルを生成する。この研究の多くは、生物医学分野における制御放出と、制御放出肥料(CRF)投与におけるいくつかの探査に焦点を当てています。BCのアモキシシリン11、リドカイン12、およびイブプロフェン13の制御放出の成功に基づいて、BCはペレット化肥料などの他の物質と同様の送達特性を示し得る。ShavivとMikkelsen14によるCRFの概要は、CRFがより効率的で、労働力を節約し、一般的に従来の肥料塗布よりも環境劣化が少ないことを認めています。細菌セルロースは、CRFの良好な封入材料として働く可能性があります。肥料はBC膜から浸出するか、BC生分解15、16として排出することができる。BCの高水膨張能力は、肥料の栄養素と水分の両方がBC球体の適用によって地面に放出される可能性があるため、有益な土壌修正17、18、19としても機能します。これらの形質を使用すると、BC球カプセル化によって形成されたCRFは、生産および処分段階で悪影響を及ぼす可能性のある他の肥料コーティング材料よりも有利である可能性があります。BCを肥料コーティングに適応させることは、CRF技術をさらに向上させる可能性があります。肥料の放出率を下げることで、作物は肥料を取り込み、水域への過剰流出を防ぐのに十分な時間を持ち、それによって富栄養化および非酸素化地帯を減少させる。同様の緩徐放出肥料が、ポリマーコーティング20を用いて調製および試験的に製造されている。
以前の研究で概説されたプロトコルとは異なり、これは高いセルロース収率ではなく、均一でまとまりのある球体生産に焦点を当てています。さらに、他の固形物のBCカプセル化はセルロース膜で研究されているが、球体21ではない。細菌セルロース球の研究を拡大することにより、BCの環境的に安全な特徴のために有益であるBCを商業的に生産するためのさらなるステップを作ることができます。BC球の製造のこの方法は、安価で容易に入手可能な料理の食材を利用しています。最初のアセンブリの後、BC球は干渉なしで2日以内に形成し始める。この戦略を通じてBC球体を生産するには、スペースがほとんどなく、食用の副産物である発酵茶「昆布茶」があります。他の研究で言及されたカプセル化技術は、相反転技術22、23、マトリックス形成24、噴霧乾燥25、および合成中の直接封入26を介して形成されるコーティングを含む。本稿で概説されている直接封入法は、容易に入手できる材料を利用する、簡単で安価なプロセスを望む人に有用である。
この研究を通じて、BC球体生産とカプセル化のための成功したプロトコルが作成されました。BC球体は、バイオチャー、鉱山テーリング、ポリスチレンマイクロビーズの固体粒子を個々の構造内に封入することができます。まだ業界で広く使用されていませんが、BCは実用的で持続可能な材料であり、将来の用途に使用できる天然材料です。

<table><tbody><tr><td>100mLメスシリンダー</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>1000mLビーカー</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>25mLメスシリンダー</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>250mL 三角バッフルフラスコ</td><td>ケムグラス</td><td>CLS-2040-02</td><td></td></tr><tr><td>500mLビーカー</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>バランス</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>バイオ炭</td><td></td><td></td><td>アルゴンガス下で処理されたポンデローサパイン熱、15°Cで加熱。C/分から800°C;C</td></tr><tr><td>紅茶</td><td></td><td></td><td></td></tr>、<tr><td>脱イオン水</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>、蒸留白酢</td><td></td><td></td><td></td></tr>、<tr><td>ゴムバンド</td><td></td><td></td><td></td></tr>、<tr><td>微生物スターター、培養</td>、<td>健康</td><td></td><td></td>、</tr><tr><td>鉱山廃棄物</td><td></td><td></td><td>モンタナ州ビュートから収集:46.001978、-112.582465。鉱山廃棄物には、過去の銅採掘に由来する土壌と金属が含まれています。Mn、Si、Ca、Al、Fe は、X 線回折によって鉱山廃棄物で測定された最も一般的な 5 つの元素でした。</td></tr><tr><td>乳鉢と乳棒</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>オービタルシェーカー</td><td></td><td></td><td>様々なブランドを使用</td></tr><tr><td>ペーパータオル</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>ポリスチレンマイクロビーズ</td><td>ポリビーズ</td><td>17138</td><td>3ミクロン径</td></tr><tr><td>攪拌棒</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>ショ糖</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>ティーケトル</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>TGA</td><td>TAインスツルメンツ</td><td>TA Q500</td><td>400 &deg;C/min から 800 &deg;C、100 mL/min N2</td></tr><tr><td>温度計</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>XRF 分析装置</td><td>ThermoFisher Scientific</td><td>10131166</td><td></td></tr></tbody></table>

固体材料を封入する細菌セルロース球

Bacterial Cellulose Spheres that Encapsulate Solid Materials

細菌セルロース(BC)球体は、新しい材料としてBCの普及以来、ますます研究されています。このプロトコルは、BC球体生産のための手頃な方法と簡単な方法を提示します。これらの球体の生成に加えて、固体粒子のカプセル化方法も同定されている。BC球体を生成するには、水、紅茶、砂糖、酢、細菌培養をバッフルフラスコに組み合わせて、内容物を攪拌する。BC球形成のための適切な培養条件を決定した後、固体粒子を封入する能力をバイオチャー、ポリマービーズ、および鉱山廃棄物を用いて試験した。球体は、ImageJ ソフトウェアと熱重量分析 (TGA) を使用して特徴付けられた。 結果は、直径7.5mmの球体を7日間で作ることができることを示している。様々な粒子を添加すると、BCカプセルの平均サイズ範囲が増加する。球体は乾燥質量の10〜20%を封入した。この方法は、容易に入手できる材料で可能な低コストの球体生産およびカプセル化を示す。BC球体は、汚染物質除去助剤、放出性肥料コーティング、または土壌修正として将来的に使用され得る。

BC球体は、培養の最初の48時間の間に最も速い成長率を有する(図2)。また、球が最大平均サイズに達し、その後、一定の状態を保つ傾向がある様子も図 2 に示します。この実験では、球体は平均直径7.5±0.2mmに達した。BC球体は10日間の成長期間内に完全に悪化することはありませんでしたが、8日目頃に球体から伸びる腱を形成し始めました。これは図2Eで見ることができますが、最も顕著に左上の大きな球に見られます。
本論文で概説したカプセル化法を適用すると、直径3~12mmの平均57±4個の細菌セルロース球が得られる(図3)。また、図 3では、BC 球体への固体の追加が球のサイズや周波数に一貫した影響を与えないことも分かる。軌道揺れ速度、周囲温度、不規則な粒子の形成が、球状粒子の形状、大きさ、周...

このプロトコルは、細菌セルロース(BC)球体を形成する簡単で安価な方法を提示する。この生体材料は、バイオチャー、ポリマー球、鉱山廃棄物などの固体材料のカプセル化媒体として機能します。

Bacterial cellulose (BC) spheres have been increasingly researched since the popularization of BC as a novel material. This protocol presents an ...

私たちのプロトコルは、生分解性の天然由来の生体物質を生産する現在の方法を拡大するにつれて、重要です。我々の方法は、再現性細菌セルロース球の生産を強調する。この技術の主な利点は、必要な材料へのアクセスの容易さです:砂糖、水、お茶、酢、細菌培養スターター、バッフルフラスコ、および軌道シェーカー。この技術を初めて行う人は、球体を正しく識別し、不規則な細菌性セルロース塊を除去することができない可能性があります。ビデオでこれらの手順を示していますが、初めて動作しない場合は推奨しません。この方法の視覚的なデモンストレーションは、通常、研究者が細菌性セルロース塊のサイズ、量、形状が好ましく、好ましくないものを視覚化するのに役立ちます。茶釜を使って350ミリリットルの脱イオン水を沸騰させることから始めます。その後、500ミリリットルビーカーにお湯を移します。熱保護手袋を使用し、ガラスバーが沸騰水温に耐えられることを確認してください。42.5グラムのグラニュー糖のスクロースを攪拌棒を使用して熱湯に完全に溶解する。スクロース溶液を含むフラスコに2.54グラムの紅茶を入れた袋を1時間急いでください。ティーバッグを開け開けずにかき混ぜた棒で取り出し、ゴミ箱に捨てます。蒸留した白酢を100ミリリットル加え、十分に混ぜます。調製した酸性茶混合物の80ミリリットルを250ミリリットルのバッフルフラスコに移し、それを混合物に20〜25°Cに冷却させます。液体が室温にあるときにバッフルフラスコに微生物スターター培養液の20ミリリットルを加え、パラフィルムでフラスコを覆います。バッフルフラスコを軌道シェイクテーブルに置き、20〜25°Cで3日間毎分125回転で揺れ、BC球体を作ります。ピンセットを使用して不要なBC質量を除去し、さらに不規則なBC質量が形成されるのを防ぎます。BC球体が形成されたら、フラスコからそっと注ぎ、さらに使用します。このプロトコルでは、BC球体は培養の最初の48時間に高い増殖率を示し、最大に達した後もサイズは一定であった。BC球体は、文化の8日目頃に腱を形成し始めました。バイオチャー、ポリマービーズ、鉱山廃棄物などの固体汚染物質を封入した後の球体のサイズ分布を試験した。BC球体への固体の添加は、球の大きさまたは周波数に一貫した影響を及ぼすことが観察された。軌道揺れ速度、周囲温度、不規則な粒子の形成が、球状粒子の形状、大きさ、周波数に影響を与える主な要因のようです。室温が高すぎるか、不規則な塊の不適切な除去が粒子や糸状の塊を星状化するために無傷のBC球の形状を変えたことに気づいた。BC球体の封入された固体の割合を決定するために、熱重量分析を行った。熱評価と顕微鏡評価を組み合わせることで、BC球体内の固体粒子の効果的なカプセル化が確認された。飛行機BCの差動TGAプロファイルは、ポリスチレンビーズを用いたBCとほぼ同じ大きさで現れた。しかし、ポリスチレンビーズの熱分解に対応する追加のピークが観察された。お茶が室温まで冷却されたときに微生物スターター培養を加えるのが最も重要です。さらに、私たちは、文化が活発で健康な生物を持っていることを確認する必要があります。この方法は、環境修復における汚染物質除去に使用できます。球体はまた、関心物質の制御放出のために利用することができる。この技術により、細菌セルロース球内に環境材料を封入することが可能になります。これは、生分解性の制御放出または修復プラットフォームに役立つ可能性があります。

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Research

JoVE Journal

Engineering

工学

現在の幹細胞治療の主要なハードルは、ホスト組織にこれらの細胞を提供するための最も効果的な方法を決定しています。ここでは、その多能性を維持するために、脂肪由来幹細胞を可能にしながら、アプローチの効率的かつ単純であるキトサンベースの配信方法について説明します。...

幹細胞にロードされたキトサンミクロスフェアの配信のためにコラーゲンハイドロゲルの構築

細胞と粒子の慣性順序を持つ単分散ドロップ生成を組み合わせることで、我々は、kHzのレートで一滴の細胞または粒子の所望の数をカプセル化する方法を説明します。我々は、二回のシングルとダブルの粒子降下を順不同カプセルのものを超えて効率を示しています。...

ハイスループットマイクロカプセル化シングルセルと複数セル

出典:アリアス、S. L.、他酸化鉄ナノ粒子を用いた機能化磁性細菌ナノセルロースの製造。 J. Vis.

セルロース産生細菌からの細菌ナノセルロースペリクルの製剤

我々は、製紙プロセスを使用して剛性で堅牢な短天然繊維プリフォームを製造する新規な方法を提示する。バクテリアセルロースは緩い繊維の結合剤として同時に機能し、繊維プリフォームに剛性を提供します。これらのプリフォームは、真緑色階層複合体を生成するために樹脂を注入することができる。...

バインダーとしてのバクテリアセルロースを利用堅牢な天然繊維プリフォームの製造

私たちは、多能性幹細胞(PS細胞)を同軸ノズルを用いてアルギン酸ヒドロゲルカプセルに封入する方法を確立しました。 これにより、細胞が過度に凝集するのを防ぎ、浮遊培養で細胞が受けるせん断応力を制限します。...

同軸ノズルを用いて多能性幹細胞のアルギン酸カプセル化

このビデオと原稿は、簡単な撹拌容器を用いて大きなバッチで製造することができるアルギン酸ビーズ0.5％〜10％の哺乳動物細胞をカプセル化するエマルジョンベースの方法を記載しています。カプセル化された細胞は、インビトロで培養され得るか、または細胞治療用途のために移植され得る。...

シンプルな攪拌槽を用いたアルギン酸ビーズにおける哺乳類細胞のカプセル化

ジャイアントベシクルは、マイクロメートルサイズの成分を高度に詰め込んだ有用な細胞モデルです。油中水型エマルジョン遠心分離法は、カプセル化された材料で巨大小胞を調製するためのシンプルで強力なツールです。...

油中水型エマルションの遠心分離により巨大ベシクルカプセル化微小球の調製

この作業は、細菌とその対応するナノ粒子を介してナトリウム タングステン酸およびナトリウム モリブデン酸マイクロ...

タングステン酸ナトリウムと細菌のミネラル排泄によってナトリウム モリブデン酸マイクロ カプセルの合成

この方法論の目的は、癌細胞株および原発ヒト腫瘍試料中の癌幹細胞(CSC)を、細胞細胞の機能性アッセイと表現型特性評価を用いて堅牢に同定することである。しみ。...

婦人科腫瘍および乳がん腫瘍から癌幹細胞球体を取得する

この記事では、同軸流集束装置を用いたヒト多能性幹細胞(hPSC)のカプセル化について説明する。我々は、このマイクロ流体封止技術がhPSCスフェロイドの効率的な形成を可能にすることを実証する。...

ヒト多能性幹細胞スフェロイドを担持したコアシェル型マイクロカプセルのマイクロ流体作製

ここでは、腫瘍スフェロイドの迅速、堅牢、低コストな作製とそれに続くハイドロゲルカプセル化を可能にするプロトコルを紹介します。特殊な機器を必要としないため、広く適用できます。特に、スフェロイドとマトリックスの相互作用を探索したり、 in vitro 組織生理学や病理学モデルを構築したりするのに有用です。...

スフェロイド-マトリックス相互作用研究のためのポリエチレングリコールハイドロゲルにおける腫瘍スフェロイドの作製とカプセル化

学ぶ 細菌セルロース球の簡便な製造法と固体粒子封入技術。環境修復や制御放出システムへの応用可能性を持つ、低コストで再現性のあるバイオマテリアル作成手法を解説します。

固体材料を封入する細菌セルロース球

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