ポリビニルアルコールの仕立て

Scientific Reports volume 12、記事番号: 20822 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

ヒドロゲルでカプセル化された触媒は、（バイオ）プロセスを低コストで強化するための魅力的なツールです。 ホウ酸で架橋し、硫酸塩で後硬化したポリビニルアルコール-アルギン酸ナトリウムヒドロゲル（PVA-SA-BS）は、生物生産や水処理プロセスに応用されていますが、架橋に必要な低いpHが生体触媒の機能に悪影響を与える可能性があります。 ここでは、架橋 pH (3、4、および 5) および時間 (1、2、および 8 時間) が PVA-SA-BS ビーズの物理化学的、弾性、およびプロセス特性にどのように影響するかを調査します。 全体として、ビーズの特性は架橋 pH によって最も影響を受けます。 pH 3 および 4 で生成されたビーズはより小さく、より大きな内部空洞を含みましたが、光干渉断層撮影法ではポリマーの架橋密度がより高いことが示唆されました。 光コヒーレンスエラストグラフィーにより、pH 3 および 4 で生成された PVA-SA-BS ビーズは pH 5 のビーズよりも硬いことが明らかになりました。 デキストラン ブルーの放出は、pH 3 で生成されたビーズがより高い拡散速度を可能にし、より多孔質であることを示しました。 最後に、28 日間のインキュベーションにわたって、pH 3 および 4 のビーズは、pH 5 で生成されたビーズよりも多くのミクロスフェア (細胞代理として) を失いましたが、後者はより多くのポリマー材料を放出しました。 全体として、この研究は、化学、酵素、微生物触媒（バイオ）プロセスなどの幅広い用途に向けて PVA-SA-BS ハイドロゲル ビーズの特性を調整するための道筋を提供します。

ヒドロゲルビーズは、（バイオ）プロセスエンジニアリングのための強力なツールです。 これらの水和ポリマーマトリックスは、化学触媒、酵素触媒、生きた微生物触媒をカプセル化して、望ましい化学変換を促進するように設計できます 1、2、3。 ハイドロゲルは粒状バイオフィルム (または粒状汚泥) と同様の方法で使用できますが、それらは独自に、生物を相補的な代謝特性と組み合わせて、所望の機能を達成する可能性を提供します 4,5。 さらに、ヒドロゲルビーズのサイズを調整することにより、バイオプロセスの有効触媒量を最適化し、対象となる特定の集団を選択することができます6,7。 プロセスのフットプリントと資本投資を最小限に抑える可能性8により、ヒドロゲルはバイオプロセスの強化のための魅力的な場所になります9,10。

ポリマー組成と架橋化学は、ハイドロゲルの開発、設計、および応用において重要です。 選択したポリマーとその最終濃度は、拡散率や粘弾性特性などのヒドロゲルの物理化学的特性を決定します11、12、13、14。 これらの特性は、ヒドロゲルベースのプロセスの最終的な効率と耐久性にとって重要です。 さらに、微生物触媒がヒドロゲルに埋め込まれている場合、細胞の損失を最小限に抑えるために、ヒドロゲルモノマーの細胞毒性と架橋化学を考慮する必要があります 15,16。 同様に、ヒドロゲルマトリックスのミクロンスケールの構造は微生物を閉じ込める可能性があり、その結果、密集したヒドロゲルが生じ、埋め込まれた細胞の表現型特性が変化し、最終的にはヒドロゲルが破壊されます17。 したがって、既知の非毒性マトリックスで構成されるヒドロゲルビーズの物理化学的特性を調整するアプローチを確立することで、バイオプロセス工学におけるその有用性が大幅に向上する可能性があります。

微生物触媒をカプセル化するために広く適用されている 2 つのヒドロゲル ポリマーは、アルギン酸ナトリウム (SA) とポリビニル アルコール (PVA) です。 アルギン酸塩は、Ca2+ イオンと架橋することができる天然の炭水化物ポリマーであり (例: CaCl2 浴中で)、微生物触媒に低ストレスのカプセル化プロセスを提供します 18,19。 残念ながら、これらのヒドロゲルは機械的に弱く、高濃度の一価陽イオンやリン酸塩、クエン酸塩、EDTA20 などの Ca キレート剤にさらされると溶解します。 Ca2+ による SA の架橋と、低 pH でのホウ酸触媒による PVA 架橋を組み合わせると、より堅牢なヒドロゲル ビーズが生成されることが示されています 21。 PVA は微生物細胞に対して無毒な低コストのポリマー 22 であるため、これらのハイブリッド PVA-SA ハイドロゲルをバイオプロセスおよび環境工学用途に適用することが可能になります 10。