天然および合成ナノ材料の電気化学的、生物医学的、および熱的特性の比較研究

背景

天然ナノ材料には、セルロースナノファイバー（NFC）やセルロースナノクリスタル（CNC）などのさまざまな形状のナノセルロースが含まれます。大まかに言って、個々のセルロース分子鎖は水素結合を介して互いに接続し、初歩的なフィブリルまたはミクロフィブリルとして知られるより大きな単位を形成します[1]。これらのミクロフィブリルには、いくつかのアモルファス領域と非常に秩序化された（結晶性）領域があります。ミクロフィブリルがナノメートルの粒子に分割されると、ナノフィブリルが形成されます。一般にナノセルロースと呼ばれるナノフィブリルドメインは、高い機械的強度、剛性、低い熱膨張、大きな表面積、再生可能性、光学的透明性、生分解性、および低毒性のため、新しいバイオベースの複合材料の有望な原材料です[2]。 。

ナノセルロースの調製に使用される多くの天然資源があります。ケナフは、マレーシアを含む発展途上国の二次的な収入源を生み出すために商業的に栽培されている天然の熱帯植物です[3]。ケナフの44〜63.5％の範囲の高いセルロース含有量は、多くの用途に関心を呼んでいます[3、4]。 CNCとNFCは、それぞれ酸加水分解と機械的処理によって得ることができます。非毒性、高い電気的特性、熱的特性などの優れた特性により、ポリマー複合材料のフィラーなどの多くの分野で使用され、透明バリアフィルム[5]、フォトニックなど、さまざまな他の機能性材料を作成しています。結晶[6]、形状記憶ポリマー[7]、薬物担体[8]、および複合材料[9]。

カーボンナノ材料を含む合成ナノ材料は、産業や科学で多くの用途があります[10、11、12]。カーボンナノチューブ（CNT）やカーボンナノファイバー（CNF）などのカーボンナノ材料は、sp ² から作られています。 一次元（1D）構造の炭素原子[10]。純粋なCNTの構造は、チューブを形成するために巻かれた1枚のグラファイトシートとして視覚化できます。ナノチューブの特性は、原子配列、チューブの直径と長さ、および形態または構造に依存します[13]。さらに、CNFは、積層された小板、リボン、またはヘリンボーンなどのグラフェンシートの異なる積層配置を持つ円筒形のナノ構造を持っています[11、14]。それらの直径は数十ナノメートルから数百ナノメートルの間で変化しますが、長さはマイクロメートルのオーダーです[14]。低密度および高アスペクト比、ならびに並外れた機械的、熱的、電気的、および電気化学的特性を備えたカーボンナノ材料は、科学および工学のほとんどの分野で多くの活動に使用されてきました[15]。その上、多くの場合、これらのナノ材料は生物医学分野で多くの用途があります[12、16、17]。アーク放電[18]、レーザーアブレーション[19]、化学蒸着（CVD）[20,21,22,23]、および自己組織化[24]を含む、CNTおよびCNFを生成するためのいくつかの技術があります。大規模な製造方法としてのCVDは、高品質のCNTおよびCNFを製造するために使用されてきました[25]。異なる形態を得るためには、実行時間、反応温度、炭素源の流量、触媒濃度など、CVDのいくつかの重要なパラメーターを変更する必要があります[26、27、28、29]。

研究者の知る限り、これまでのところ、天然ナノ材料と合成ナノ材料の特性の比較研究に関する研究は誰も報告していません。ここでの主な目的は、ナノセルロースとナノカーボンのさまざまな形態を、それらの構造、形態、組成、結晶化、表面積、さらには熱安定性、細胞毒性効果、および電気化学的特性の観点から比較することです。 Brunauer、Emmet、およびTeller分析（BET）を適用して、比表面積を測定しました。サンプルの表面形態、組成、および構造特性は、走査型電子顕微鏡（SEM）、エネルギー分散型X線（EDX）、透過型電子顕微鏡（TEM）、およびX線回折（XRD）によって分析されました。さらに、熱重量分析（TGA）、サイクリックボルタモグラム（CV）、MTTアッセイなどのさまざまな分析を適用して、ナノ粒子の構造、組成、形態が熱的、電気化学的、毒性特性に及ぼす影響を調査しました。

結果と考察

ナノマテリアルの形態

図1のSEMおよびTEM画像は、天然および合成のナノ材料の顕微鏡写真を示しています。ナノ材料は、顕微鏡写真で実質的に異なる形状とサイズを示します。ナノ粒子のTEM画像をキャプチャするために、サンプルをアセトン溶液に分散させて、ナノ粒子を互いに分離しました。

a のSEM / TEM画像 CNC、 b NFC、 c CNF、および d CNT

画像によると、CNCは平均長さが150 nm、直径が12 nmの針状の構造を示していますが、NFCは直径が50〜200nmの高度に絡み合ったウェブのような構造を示しています（図を参照）。 1a、b）。 NFCの高度に絡み合った構造により、流れに対する抵抗が大幅に増加し、受け取ったままのNFCサンプルのゲルのような挙動が生じました。図1cは、棒状の構造を持ち、直径150〜200 nmのCNFの表面が非常に粗くて固いのに対し、表面のCNTは多層で、巻き毛があり、互いに絡み合っていることを示しています。図1dは、CNTの壁の厚さの直径が約10〜30nmであることを示しています。 NFCと同様に、CNTとCNFの長さが長すぎ、絡み合った構造のため、個々のファイバーの長さを高精度で測定することは容易ではありませんでした。

エネルギー分散型X線分光法

各ナノ構造の組成を見つけるために、EDXが採用されました。各タイプのナノ材料のEDXの結果は、表1に報告されています。すべてのナノ粒子は、大量の炭素と酸素の存在を明らかにしました。 CNCのEDXの結果は、炭素と酸素だけでなく、少量のSの存在も示しましたが、NFCの汚染物質の存在は報告されておらず、これは調製方法に関連していました。 CVD法で合成されたCNFおよびCNTのEDXの結果は、生成物中に少量のNi触媒が存在することを証明しました。 CNFとCNTはFeCl ₃ に浸されていましたが Ni触媒を除去するための/ HCl溶液、ナノファイバーおよびナノチューブ中のNi触媒の存在に関連する少量のNiが依然として観察された。予想通り、製造されたナノ材料は主に炭素と酸素を含み、表1に報告されているように、不純物の数は少なかった。

BET表面積

天然および合成ナノ材料の表面活性を取得するために、BET比表面積を決定しました。表2は、窒素の吸脱着等温線から得られたBETの結果を示しています。ナノマテリアルを200°Cで乾燥させて湿気を取り除きました。吸着と脱着のヒステリシスは、ナノ構造に存在するいくつかの細孔を示しています。結果によると、天然ナノ材料のBET表面積は、ナノ材料の細孔径と体積によって証明された合成ナノ材料よりも低くなっています。天然ナノ材料の細孔径と体積は、合成ナノ材料の細孔径と体積よりもはるかに小さいです。

したがって、ナノカーボンの表面積はナノセルロースよりも大きく、これは、小さな寸法だけでなくネットワーク構造も備えたカーボンナノ材料の形成によるものでした。さらに、CNFとCNTの形態と直径の違いにより、表面活性が異なります。最後に、これらのナノ粒子の中で、NFCの表面積が最も小さく、CNTの表面積が最も大きいことがわかりました。したがって、最大の表面積を持つ得られたCNTは、吸収性複合材料などの多くのアプリケーションのパイオニアナノ粒子として使用される可能性がありました。

XRD

図2に示されているX線回折（XRD）は、結晶内の原子配列を決定するための手法です。セルロース系ナノ材料に典型的な3つの明確な結晶ピークが、約2θ=15°、22.5°、および35°に存在しました。 2θ=22.5°でのCNCのピークは、NFCのピークよりも大幅にシャープであることがわかります。これは、NFCよりもCNCの結晶ドメインが高いためです。

ナノマテリアルのXRDパターン

炭素状ナノ構造の場合、約20〜30°の範囲の角度（2θ）で最も強い回折ピークは、六角形のグラファイト構造のC（002）反射としてインデックス化できます。 25.5°の角度（2θ）でのピークの鋭さは、CNFの結晶化度の順序が低下するとXRDピークが広くなるため、CNTのグラファイト構造に大きな損傷がなかったことを示しています。約43°の2θでのグラファイトの他の特徴的な回折ピークは、グラファイトのC（100）回折に関連していました。

熱抵抗

TGAプロセスでは、材料が一定量の熱を吸収すると、すべてのサンプルに対して単一の劣化ステップが発生し、熱劣化も発生し始めました。分解プロセスは、サンプルのマトリックス構造の破壊につながりました。図3のTGAダイアグラムは、重量損失（wt。％）と温度（°C）に基づくナノマテリアルの劣化を示しています。減量が5wt。％を示した温度を、分解開始温度（T _開始）として定義しました。 ）劣化速度が最大に達した温度をTmaxと定義しました。 CNCの場合、約180°Cと300°Cで2つの分解プロセスが見られましたが、NFCでは300°Cでセルロースに典型的な熱分解プロセスが1つしか示されませんでした。これらは、硫酸加水分解によって調製されたCNCの熱安定性が、機械的手法によって生成されたNFCよりも低いことを示しています。低温プロセスは、アクセスしやすく、したがってより高度に硫酸化されたアモルファス領域の劣化に対応する可能性がありますが、高温プロセスは、非硫酸化結晶の破壊に関連していました。酸性硫酸基の存在は、脱水反応の結果としてセルロースの熱安定性を低下させました[30]。また、表面積の大きいCNCは熱伝達率が高く、熱安定性が低下します。

CNC、NFC、CNF、およびCNTのTGA曲線

一方、CNFの分解温度は約480°Cで始まり、615°Cで完了したのに対し、CNTの場合、サンプルの分解温度は約600°Cに上昇し、690°Cで完了したことは明らかでした。 。 CNTとCNFの組成は類似しているため、サイズ、構造、および形態により、CNTの熱安定性はCNFよりも高くなります。 ＣＮＴは、ＣＮＦと比較してより大きな表面積を有するが、より強い構造を有するＣＮＴは、より高い熱安定性を有する。簡単に言えば、TGAの結果は、合成ナノ材料（CNFおよびCNT）の熱劣化が天然ナノ構造（CNCおよびCNF）よりもはるかに低いことを明らかにしました。したがって、合成ナノ材料、特に熱安定性の高いCNTは、熱デバイスに使用することができます。

電気化学的結果

SPE、天然および合成ナノ材料のサイクリックボルタモグラム（CV）を図4に示します。ナノ材料のボルタモグラムは、レドックスピークを伴う長方形のピークが、電気化学的二重層コンデンサ（EDLC）方式と疑似容量の影響の寄与を示していることを示しています。

PBS緩衝液（pH 7.0）中のCNC、CNF、CNT、およびNFCのサイクリックボルタモグラム。スキャンレート：0.1 Vs ^-1

天然ナノ材料と比較した合成ナノ材料の環状面積の増加は、CNFおよびCNT電極の貯蔵容量の増加に関連しており、合成ナノ材料の多孔性と表面積がはるかに大きいという事実が原因である可能性があります。天然ナノ材料より。合成ナノ材料の酸化還元ピークは、CNFとCNTが電気化学反応を加速し、電荷移動のための優れた方法を提供できることを示しました。さらに、合成ナノ材料は、より高い表面積を作成し、電流の流れの抵抗を減らすことによって、電極の出力を向上させました。約-0.5〜0.5 Vでのプラトーの存在は、CNCおよびNFC電極の表面に固体電解質界面（SEI）膜が形成されたことが原因である可能性があります。

細胞毒性分析

MTTアッセイは、ナノマテリアルの細胞生存率をテストするために使用されました。ナノ粒子を含まない細胞培養培地を含むコントロールウェルに関連する相対的な細胞生存率（％）は、次の式で計算されました。

図5に示す結果に基づいて、天然ナノマテリアル化合物は、合成ナノマテリアル化合物と比較して、4T1乳がん細胞株での毒性が低いことがわかりました。 NFCとCNCの化合物は、100μg/ mlの濃度で細胞の約1.1％と7％を抑制/殺しましたが、同様の濃度では、カーボンナノファイバーとナノチューブがより高い割合で細胞を殺しました（それぞれ34％と28％）。 。 12.5μg/ mlの濃度では、細胞は100％生存していたため、NFCは細胞に対する毒性を示しませんでしたが、CNC化合物の場合は、生細胞の7％を殺したためそうではありませんでした。さらに、CNCは3.125μg/ mlで毒性効果がありませんでしたが、この濃度では、CNFとCNTはそれぞれ4.3％と1.7％を殺しました。したがって、天然のナノ材料は、合成ナノ構造よりも生物医学的用途に適しています。

a の細胞毒性分析 CNC、 b NFC、 c CNF、および d CNT

結論

この研究では、酸加水分解と機械的技術を使用して天然ナノ材料（CNCとNFC）を製造し、CVD法を使用してナノ構造（CNFとCNT）を合成しました。 SEM、TEM、およびXRD法は、CNCの結晶性と、CNTの高黒鉛化構造を確認しただけでなく、NFCおよびCNFに対してより小さな直径を決定しました。その上、EDXはナノ材料の高純度を証明しました。さらに、BET表面積アナライザーは、合成ナノ材料が天然ナノ材料よりもはるかに大きな表面積を持っていることを発見しました。

電気化学的特性、熱抵抗、生細胞に対する細胞毒性効果など、生成されたナノ材料の特性を包括的に調査および比較しました。したがって、それらの特性に対するナノ材料の形態の影響が研究された。得られた結果に関して、合成ナノ粒子は天然ナノ材料と比較して高い耐熱性と貯蔵容量を持っていましたが、生細胞に対する細胞毒性効果が低い天然ナノ材料は生物医学的用途で使用される可能性が高かった。

メソッド

材料と方法は、他の人が公開された結果を複製して構築できるように、十分な詳細で説明する必要があります。原稿の出版は、出版に関連するすべての資料、データ、コンピューターコード、およびプロトコルを読者が利用できるようにする必要があることを意味することに注意してください。資料や情報の入手に関する制限事項は、提出段階で開示してください。新しい方法とプロトコルを詳細に説明する必要がありますが、確立された方法を簡単に説明して適切に引用することができます。

天然ナノファイバーの調製

Kargarzadeh et al。から採用された方法により、ケナフ靭皮繊維からセルロースを単離した。 （2012）[30]。ここで、CNCとNFCは、それぞれ酸加水分解と機械的方法を使用して、セルロースケナフ靭皮繊維から製造されました。 CNCは、Kargarzadehと共著者によって2012年に報告された方法で、H ₂ 水溶液の65％で行われる酸加水分解を使用して分離されました。 SO ₄ 50°Cで40分間機械的に攪拌します[30]。次に、懸濁液を冷却して蒸留水（10°C）で希釈し、10,000rpmで10分間3回遠心分離しました。その後、一定のpHに達するまで蒸留水で透析した。ナノ結晶を分散させるために超音波処理を行った。細菌の増殖を防ぐためにクロロホルムを数滴加えた後、得られた懸濁液を冷蔵庫に保管しました。

NFCを製造するために、RFとしてコード化されたウォーターレッティングケナフ靭皮繊維を短い断片に切断し、JSR-212回転式蒸解缶で25 wt％のNaOHと0.1 wt％のアントラキノン溶液（液と繊維の比率は7：1）を使用して160で調理しました。 °Cで2時間。アントラキノンを調理液に加えて、脱リグニン率を高め、アルカリ分解やセルロース鎖のいわゆる末端分解から繊維を保護しました。

合成ナノファイバーの準備

この部分では、硝酸ニッケル六水和物粉末（Ni（NO ₃ ） ₂ .6H ₂ O）は、CVDリアクター内にある石英ボートにNi触媒の前駆体として入れ、160°Cで乾燥して湿度を50分間除去し、次に温度を400°Cに上げて硝酸化合物を1時間除去しました。このステップでは、触媒として得られたNi粒子が生成されました。合成ナノファイバーを合成するには、CVD反応温度を変更する必要があります[10、31]。温度を650°Cと800°Cに固定し、それぞれ高品質のCNFとCNTを製​​造しました。このプロセスは、100/100 sccm H ₂ のNi粒子上で50sccmの流量でアセチレンを分解することによって実施されました。 / N ₂ 30分間の流量。製造されたカーボンナノ材料から触媒を除外するために、FeCl3（1 M）/ HCl（1 M）の混合物が使用され、カーボンナノ材料がそれに注がれ、続いてろ過されました。その後、蒸留水で数回洗浄し、最後に乾燥させました。

合成されたナノ材料の特性評価

顕微鏡

走査型電子顕微鏡（SEM）、エネルギー分散型X線分光計（EDX）、および透過型電子顕微鏡（TEM）を使用して、ナノ材料の形態、構造、および組成をそれぞれ分析しました。

X線回折分析（XRD）

層間間隔、構造ひずみ、および製品の不純物に関するいくつかの必要な情報を明らかにする非破壊特性評価手法は、X線回折（XRD）分析です。ナノセルロースの場合、XRD分析は、異なる強度指数（CrI）を持つC（002）のピークを示します。アモルファス部分は、約2θ=18.0°の回折角で最低強度として測定されました。一方、カーボンナノ構造は、六角形のグラファイト構造の反射（002;2θ=25）と（100;2θ=45）の近くにあるいくつかの広いバンドからなるXRDパターンを示します。

BET表面積分析

ISO 9277に従って、Brunauer、Emmett、およびTeller（BET）法を使用して、吸着装置（BELSORP-mini IIアナライザー）を使用してナノマテリアルの比表面積を計算しました。

電気化学分析

電気化学分析を実行するためにPGSTAT204システムが採用されました。さらに、サイクリックボルタンメトリーを適用して、100 mVs ^-1 の緩衝液中のスクリーンプリント電極（SPE）上のナノ材料で修飾された電極の電気化学的挙動を評価しました。 スキャンレート。最初に、均質な懸濁液（2mlの脱イオン水/ 1 mgのナノマテリアル粉末）を6分間超音波処理しました。次に、10μlの懸濁液をSPEにドロップキャスティングして、修飾電極を作成しました。サンプルの電流-電圧（CV）ダイアグラムは、室温で-1.5〜1.5Vの電位で評価されました。

細胞毒性分析

さまざまなナノ材料の細胞毒性の可能性と細胞生存率を分析するために、3- [4,5-ジメチルチアゾール-2-イル] -2,5ジフェニルテトラゾリウムブロミド（MTT）色素還元を使用しました。ナノマテリアルの細胞毒性効果は、生成されたIC50に基づくこのアッセイを使用して測定できます。 0.8×105細胞/ウェル濃度の4T1細胞100μLを96ウェルプレートに注ぎ、RPMI培地に24時間保持しました。翌日、天然および合成のナノ材料をウェルに加え、72時間インキュベートしました。 MTT溶液（5 mg / ml）（Calbiochem）を20 µLの容量で各ウェルに個別に添加し、3時間インキュベートしました。その後、溶液をウェルから取り出し、100μLのDMSOを加えてホルマザン結晶を可溶化しました。最後に、ELISAプレートリーダーを使用して波長570 nmでプレートを読み取りました（Bio-Tek Instruments、米国）。

熱重量分析（TGA）

熱抵抗を分析するために、熱重量分析（TGA）が使用されました。 TGAは、Mettle Stare SW9.10熱重量分析装置によって行われました。最初に、0.5 mgのナノマテリアルがTGAのシステムに配置されたるつぼに配置され、湿度を除去するために約200°Cで5分間加熱されました。その後、N ₂ の存在下で、加熱プログラムを10°C /分の速度で600°Cと900°Cに上げました。 それぞれ天然ナノファイバーと合成ナノファイバーの流れ。

略語

ベット：

ブルナウアー、エメット、テラー

CNC：

セルロースナノクリスタル

CNF：

カーボンナノファイバー

CNT：

カーボンナノチューブ

CV：

サイクリックボルタモグラム

CVD：

化学蒸着

EDLC：

電気化学二重層コンデンサ

EDX：

電子分散X線

NFC：

ナノファイバーセルロース

SEI：

固体電解質界面

SEM：

走査型電子顕微鏡

TEM：

透過型電子顕微鏡

TGA：

熱重量分析

XRD：

X線回折