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酵素固定化アルギン酸ビーズと微粒子を用いた結晶性セルロースナノファイバーの生分解
Biodegradation of Crystalline Cellulose Nanofibers by Means of Enzyme Immobilized-Alginate Beads and Microparticles.
PMID: 32660071 DOI: 10.3390/polym12071522.
抄録
ナノセルロース技術の最近の進歩により、結晶性セルロースナノファイバーが、他の機能の中でも特に組織工学に有用な材料を補強する可能性があることが明らかになってきた。しかし、ナノセルロースの生分解性が低いため、生物医学的応用にはいくつかの問題がある。本研究では、結晶性セルロースナノファイバーを生分解するために、酵素セルラーゼを内包したアルギン酸粒子を調製し、このキャリアシステムを組織工学バイオマテリアルに組み込むことで、組織再生時に結晶性セルロースナノ強化材をその場でオンデマンドに分解することが可能となった。アルギン酸ビーズと微粒子は、それぞれ押出滴下法とインクジェットベースの方法で処理した。アルギン酸塩濃度，イオン性架橋剤Ca濃度，硬化時間，培地のイオン強度などの処理パラメータを変化させた。遊離およびカプセル化された酵素の加水分解活性は、懸濁液中の未修飾（CNFs）およびTEMPO酸化セルロースナノファイバー（TOCNFs）について、可溶化セルロース誘導体（均質条件）と比較して評価した（不均質条件）。酵素活性は、25～75℃の温度、3.5～8.0のpH範囲、21 dまでのインキュベーション時間で評価されました。統計的設計により、最高の酵素活性と真球度を示す酵素カプセル化アルギン酸塩粒子を調製するための処理パラメータを最適化することができました。統計解析により、2%(w/v)のアルギン酸塩、0.2M CaClの凝固浴、1時間の硬化時間を用いて最適な粒子特性と特性が得られました。これらの温度およびpH値は、懸濁液中の結晶性セルロースナノファイバーの生分解を研究するために考慮された。カプセル化されたセルラーゼは、遊離酵素よりも数週間活性を維持したが、遊離酵素は大幅に減少し、わずか10日後に実質的に失活を示した。高い表面積対体積比を持つアルギン酸塩微粒子は、効果的にカプセル化された酵素の制御された放出を可能にし、それによってセルロースナノファイバーの持続的な加水分解を可能にした。微小粒子にカプセル化されたセルラーゼの相対的な活性は、1日後に約60％で平らになり、3週間は実質的にその値で維持されました。
Recent advances in nanocellulose technology have revealed the potential of crystalline cellulose nanofibers to reinforce materials which are useful for tissue engineering, among other functions. However, the low biodegradability of nanocellulose can possess some problems in biomedical applications. In this work, alginate particles with encapsulated enzyme cellulase extracted from were prepared for the biodegradation of crystalline cellulose nanofibers, which carrier system could be incorporated in tissue engineering biomaterials to degrade the crystalline cellulose nanoreinforcement in situ and on-demand during tissue regeneration. Both alginate beads and microparticles were processed by extrusion-dropping and inkjet-based methods, respectively. Processing parameters like the alginate concentration, concentration of ionic crosslinker Ca, hardening time, and ionic strength of the medium were varied. The hydrolytic activity of the free and encapsulated enzyme was evaluated for unmodified (CNFs) and TEMPO-oxidized cellulose nanofibers (TOCNFs) in suspension (heterogeneous conditions); in comparison to solubilized cellulose derivatives (homogeneous conditions). The enzymatic activity was evaluated for temperatures between 25-75 °C, pH range from 3.5 to 8.0 and incubation times until 21 d. Encapsulated cellulase in general displayed higher activity compared to the free enzyme over wider temperature and pH ranges and for longer incubation times. A statistical design allowed optimizing the processing parameters for the preparation of enzyme-encapsulated alginate particles presenting the highest enzymatic activity and sphericity. The statistical analysis yielded the optimum particles characteristics and properties by using a formulation of 2% (w/v) alginate, a coagulation bath of 0.2 M CaCl and a hardening time of 1 h. In homogeneous conditions the highest catalytic activity was obtained at 55 °C and pH 4.8. These temperature and pH values were considered to study the biodegradation of the crystalline cellulose nanofibers in suspension. The encapsulated cellulase preserved its activity for several weeks over that of the free enzyme, which latter considerably decreased and practically showed deactivation after just 10 d. The alginate microparticles with their high surface area-to-volume ratio effectively allowed the controlled release of the encapsulated enzyme and thereby the sustained hydrolysis of the cellulose nanofibers. The relative activity of cellulase encapsulated in the microparticles leveled-off at around 60% after one day and practically remained at that value for three weeks.