マイクロメートルサイズのナノポーラス粒子への整列セルロースナノ結晶のトップダウンアセンブリに利用される植物細胞壁のネイティブ構造

Native Structure of the Plant Cell Wall Utilized for Top-Down Assembly of Aligned Cellulose Nanocrystals into Micrometer-Sized Nanoporous Particles.

• Panagiotis Spiliopoulos
• Iina Solala
• Timo Pääkkönen
• Jani Seitsonen
• Bas van Bochove
• Jukka V Seppälä
• Eero Kontturi

抄録

その持続可能な魅力にもかかわらず、バイオマス成分は現在、ナノテクノロジーにおいて過小評価されています。ここでは、配向したセルロースナノ結晶（CNC）からなるマイクロメートルサイズの粒子を、気体の塩酸で予備加水分解された綿リンター繊維中のセルロースを架橋することによって調製している。そのようにして、繊維細胞壁内のセルロースミクロフィブリルの本質的な整列は保持され、トップダウンCNC整列のために利用することができます。その後のクエン酸での架橋は、コロイド状に安定なマイクロメートルサイズの粒子内に端から端まで捕捉され、接続され、架橋されたCNCの分散に続いて、整列を固定し、それを保持する。さらに、熱ポロシメトリと極低温透過電子顕微鏡（Cryo TEM）は、粒子が水中で主にナノポーラス（<2nm）の特性を持っていることを示しています。このアプローチは、ナノ粒子の集合体を形成するためのボトムアップ的な手法が主流である現在のパラダイムに挑戦しています。

Despite their sustainable appeal, biomass components are currently undervalued in nanotechnology because means to control the assembly of bio-based nanoparticles are lagging behind the synthetic counterparts. Here, micrometer-sized particles consisting of aligned cellulose nanocrystals (CNCs) are prepared by crosslinking cellulose in cotton linter fibers that are prehydrolyzed with gaseous HCl, resulting in chemical cleavage necessary for CNC formation but retaining the morphology of the native fibers. That way, the intrinsic alignment of cellulose microfibrils within the fiber cell wall can be retained and utilized for top-down CNC alignment. Subsequent crosslinking with citric acid cements the alignment and preserves it, following the dispersion of CNCs trapped end-to-end, connected, and crosslinked within the colloidally stable micrometer-sized particles. Furthermore, thermoporosimetry and cryogenic transmission electron microscopy (Cryo TEM) shows that the particles possess mainly nanoporous (<2 nm) character in water. The approach challenges the current paradigm of predominantly bottom-up methods for nanoparticle assembly.

© 2020 The Authors. Published by WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.