Summary
Эта работа представляет собой протокол для производства натрия вольфрамат и натрия молибдата микрокапсул через бактерий и их соответствующие наночастиц.
Abstract
Мы представляем метод, бактериальных выделение минеральных веществ (БМЭ), для синтеза двух видов микрокапсулы, вольфрамат натрия Молибдат натрия и два металлических оксидов соответствующего наночастиц — первый, как маленький 22 Нм и последний 15 Нм. Мы кормили два штаммов бактерий, водорослей Shewanella и Pandoraea sp., с различных концентраций ионов вольфрамат или Молибдат. Концентрации вольфрамат и молибдатов были скорректированы, чтобы микрокапсулы различные соотношения длины к диаметру. Мы обнаружили, что чем выше концентрация были меньше наночастиц. Наночастицы пришли с три соотношение длины к диаметру: 10:1, 3:1 и 1:1, которые были достигнуты путем кормления бактерий соответственно с низкой концентрации, средней концентрации и высокой концентрацией. Изображения полые микрокапсулы были взяты через сканирования Микросфера электрона (SEM). Их кристаллических структур были проверены дифракции рентгеновских лучей (XRD) — Кристаллическая структура Молибдат микрокапсулы Na2MoO4 и что вольфрамат микрокапсулы Na2WO4 с2W Na2O7. Все эти обобщения были выполнены под условие вблизи окружающего.
Introduction
Наночастицы оксида металла используются для доставки наркотиков1, строительство искусственной кости2, несродное катализирование3, Автоэмиссионные4,5, солнечных батарей6, газовые датчики7, и литиевые батарейки8. Для практического применения решающее значение имеют механическую прочность нанокристаллов и их микроструктуры. Среди микроструктур полые оболочки структуры могут использоваться для создания легких, механически надежные материалы9. Среди структур полые оболочки сферической формы, как известно, быть более жесткими, чем эллипсоидальной формы; последний имеет больше отношение длины к диаметру чем бывший10,11. Эта работа описывает протокол для обобщения сферических микрокапсул через бактерий с помощью метода не токсичен, условиях окружающей среды, который контрастирует с альтернативными методами, включая шаблон синтеза метод12, Ультразвуковой аэрозоль-при содействии синтеза метод13 и гидротермальных метод14. Некоторые из альтернативных методов требуют шаблоны12, некоторые температуры как высокий, как 500 ° C13и некоторые высокого давления14. Что касается результирующей структуры метод синтеза шаблон, используя шаблон дрожжи приносит около ядро оболочка структуры15, вместо одного с одной стеной, и один, используя шаблон E. coli производит структуру с отношение длины к диаметру 1.7:0.8 и не имеет сферическую форму. 16.
В этой работе мы сделали металлический оксид микрокапсулы с одинарной стенкой и сферической формы окружающего условиях путем использования бактериального метаболизма. В бактериальный гликолиза, химический процесс, который усваивает источников углерода, как глюкоза и лактозы, источников углерода считаются происхождение уменьшения энергии, производимой в нем. Мы манипулировать бактериальных метаболизма, регулируя концентрация углерода источников для достижения желаемых целей. Этот метод является окружающей среды, с использованием нетоксичных агентов и потребляют намного меньше электричества. Наконец этот метод позволяет в массовое производство микрокапсулы просто путем увеличения объема бульон.
До метода, там были еще два метода использования бактериального метаболизм сделать минералов: биологически индуцированной минерализации (BIM)17 и18биологически управляемой минерализации (BCM). Бим ни BCM может использоваться для изготовления натрия вольфрамат и молибдатов вольфрамат микрокапсулы как наш процесс, обозначенный как бактериальный выделение минеральных веществ (BME)19. В этом эксперименте, форма микрокапсулы можно управлять иметь отношение длины к диаметру от 10:1 до 1:1, и размер наночастиц зерна эту форму ракушки можно регулировать от 15 Нм 110 Нм.
Protocol
Предупреждение: Используйте латексные перчатки, защитные очки и пальто лаборатории для проведения эксперимента. Всякий раз, когда с помощью биобезопасности кабинета, включите корпусной вентилятор и держать дверь шкафа полузакрытыми.
1. Подготовка стеклянные бусины
- Место в лаборатории 100 мл бутылка 100 бисер диаметром 3 мм и затем крышка плотно.
- Автоклав содержимое на 120 ° C в течение 10 мин.
- Оставьте бутылку, чтобы остыть до комнатной температуры, а затем поместить его в биобезопасности кабинета.
2. Подготовка бульон Lysogeny (LB)
- Растворите порошок 8 g LB-Леннокс бульона в бутылка 500 мл лаборатории с 400 мл воды.
- Перемешайте содержимое с ПТФЭ магнитные перемешивания бар на 20 мин, а затем крышка плотно.
- Автоклав содержимое на 120 ° C в течение 10 мин.
- Оставьте раствор остынет до комнатной температуры и поместить его в области биобезопасности кабинета.
- С помощью пипетки, аликвота бульон в восемь 15 мл пробирок в кабинет биобезопасности (12,5 мл каждая).
- Алиготе оставшийся бульон в три бутылки 100 мл лаборатории в кабинет биобезопасности (по 100 мл). Крышка плотно три бутылки. Держите их в области биобезопасности кабинета.
3. Культура Shewanella водорослей
- Используйте замороженные криоконсервированных штамм.
- В области биобезопасности кабинета выделить 1 мл замороженного материала из замороженных трубки с помощью шпателя из нержавеющей стали и поместите его в пластиковых пробирок, подготовленную на этапе 3.5.
- Инкубируйте культур для 24 h в инкубаторе 37 ° C.
4. Подготовка Петри LB-Леннокс (бульон с агар)
- Растворите две таблетки LB-Леннокс (бульон с агар) в 100 мл лаборатории бутылка 100 мл воды.
- Перемешайте содержимое с ПТФЭ магнитные перемешивания бар для 20 мин и затем крышка плотно.
- Автоклав содержимое на 120 ° C в течение 10 мин.
- В области биобезопасности кабинета Алиготе вручную 100 мл раствора в 4 чашки Петри, обеспечивая каждому получить ~ 25 мл. Оставьте раствор остынет до комнатной температуры.
5. Подготовка моноклональных бактерий
- В области биобезопасности кабинета ярлык три бутылки, подготовленную на этапе 2.6, #1, #2 и #3, соответственно.
- Пипетка 0,1 мл результирующая бактериальных подвески на шаге 3.3 в бутылку #1. Колпачок бутылки и поверните его вручную за 1 мин получить однородный раствор.
- Пипетка 0,1 мл результирующая бактериальная жидкость в шаге 5.2 в бутылку #2. Колпачок бутылки и поверните его вручную за 1 мин получить однородный раствор.
- Пипетка 0,1 мл результирующая бактериальная жидкость в шаге 5.3 в бутылку #3. Колпачок бутылки и встряхните его вручную за 1 мин получить однородный раствор.
- Пипетка жидкости в бутылку #3 в 4 Петри подготовлен на шаге 4.4, используя объем 0,02 мл.
- Положите бисер, подготовленный в шаге 1.3 в 4 чашки Петри используются, наберите 4 бисеринки в каждое блюдо.
- Закройте крышки чашки Петри и встряхнуть их вручную за 1 мин.
- Петри перевернуть вверх дном и инкубировать в инкубаторе 37 ° C за 24 ч.
6. умножение моноклональных бактерий
- Получить 7 трубок, подготовленную на этапе 2.5.
- Выбирать результирующая моноклональных бактерии от 4 Петри, подготовленную на этапе 5.8 шпателем из нержавеющей стали и положил их в 7 трубок отдельно.
- Оставьте 7 трубок в инкубаторе 37 ° C за 24 ч.
- Выберите один с крупнейшим рассеяния света, с использованием визуальных колориметрическим методом.
7. Подготовка LB-Леннокс бульон с глюкозой и соли
- Положить в бутылка 500 мл лаборатории 10 g LB-Леннокс бульона, 10 г NaCl и 10 г глюкозы. Добавьте воду, до тех пор, пока объем достигает 450 мл.
- Перемешайте содержимое с ПТФЭ магнитные перемешивания бар на 20 мин.
- Автоклав содержимое на 120 ° C в течение 10 мин.
8. Подготовка вольфрамата натрия
- Положите 16.5 g вольфрамата натрия Na2WO4.2H2O в 100-мл лаборатории бутылку с помощью шпателя из нержавеющей стали. Добавьте воду, до тех пор, пока объем достигает 50 мл.
- Перемешайте содержимое с ПТФЭ магнитные перемешивания бар на 20 мин.
- Автоклав содержимое на 120 ° C в течение 10 мин.
- В области биобезопасности кабинета получите фильтрата через фильтр вакуум стекловолокна с порами 1 мкм.
9. Подготовка фунтов с глюкоза, соль и вольфрамата натрия
- В области биобезопасности кабинета Налейте фильтрата, полученный на шаге 8.4 вручную в раствор глюкозы и солью, подготовленную на этапе 7.3.
- В кабинете биобезопасности, аликвота с пипеткой 500 мл раствора полученный на шаге 9.1 10 x 50 мл пробирок.
10. культура бактерий
- В области биобезопасности кабинета принести подготовил на шаге 6.4 и аликвота его с пипеткой в 10 пробирок, приготовленные на шаге 9.2, каждая трубка, получающих 0,05 мл жидкости.
- Инкубируйте 10 труб в 37 ° C-инкубатор для 120 h.
11. урожай BME минералов
- Ultrasonicate каждый из 10 труб на шаге 9.2 на 20 кГц с 150 Вт на 1 ч.
- Центрифуга для трубы на 2025 x g за 1 час.
- Удаление прозрачной жидкости в трубах с пипеткой, добавить воду и повторите шаги 11.1 и 11.2 еще один раз.
- Удаление прозрачной жидкости в трубах с пипеткой, добавлять спирт и затем ultrasonicate их на 20 кГц с 150 Вт на 1 ч.
- Центрифуга для трубы на 2025 x g за 1 час.
- Повторите шаги 11.4 и 11.5
- Урожай BME минералы, удалив прозрачной жидкости в трубах с пипеткой; После этого сразу же крышка трубы без запуска любого процесса сушки.
12. колебаний температуры с Pandoraea sp. и молибденовокислый
- Культура Pandoraea sp. таким же образом, как и шаги 2, 3, 4, 5 и 6 для Shewanella водоросли. В результате этот шаг соответствует шаг 6.4.
- Сделать LB отвара с глюкозой и соли таким же образом, как и шаги 7, 8 и 9, за исключением того, что 16.5 g вольфрамата натрия в шаге 7.1 заменяется 12 г натрия молибдата, Na2MoO4 · 2H2O. В результате этот шаг соответствует шагу 9.2.
- В области биобезопасности кабинета выборки, жидкости, подготовленном в шаг 12.1, и аликвота с пипеткой в 10 трубы, подготовленную на этапе 12.2, с каждым получения 0,05 мл трубки.
- Инкубируйте 10 трубы на шаге 12.3 под колебаний температур для 120 h взаимном пожимая Ванна, осциллирующие температура 5 раз между 25 ° C и 37 ° C, с каждой температуре длится 12 h.
Representative Results
Рисунок 1 показывает подлинное сферических микрокапсулы. Оба два штаммы бактерий, водорослей Shewanella и Pandoraea sp., изначально имеют отношение длины к диаметру 3:1. Для достижения 1:1, высокая концентрация длины к диаметру (> 100 мм) из металла oxyanions не требуется. Низкая концентрация (< 5 мм) из oxyanions может привести к длиной к диаметру составляло 10:1, что на рисунке 2, который может привести с притоком oxyanions, блокировки двоичные деления бактерий. И наконец для достижения соотношение длины к диаметру 3:1, как на рисунке 3, необходима средней концентрации oxyanions (~ 20 мм). Формирования сферической оболочки, с соотношением длины к диаметру 1:1, может быть вызвано бактериальной диски, которые делают сами сжать их площади поверхности, чтобы сбалансировать прием oxyanions при распространении oxyanions через клеточную мембрану. Вместе три цифры показывают, что соотношение длины к диаметру могут быть оптимизированы для от 10:1 до 1:1, просто изменив концентрация oxyanions.
Рисунок 5 и Рисунок 4 Показать наночастиц зерна натрия молибдата разных размеров: меньший 15 Нм и больше одного 110 Нм. Обратите внимание, что в рисунке 5, на не разрушенной снарядов, частицы 110 Нм может все еще быть заковывают друг к другу, образуя пористых снарядов. Больше одной был приобретен через осциллируя температура культивирования бульон 5 раз между 25 ° C и 37 ° C, с каждой температуре длится 12 h. Во время колебаний температуры, зерна разных размеров могут быть не только производства, но и сохранить микро сферическая структура, которая означает, что мы можем сделать микрокапсулы с различным размером зерна, от 15 Нм 110 Нм, просто путем контроля температуры бульон .
Рисунок 6 показывает сломанной стены с больших зерен, проживание рядом с открытия стены. Толщина стены составляет около 22 Нм и более крупные зерна составляет около 40-60 Нм. Разница в размерах может быть результатом различных метаболических процессов, которые пока еще не определены.
Рисунок 1: SEM изображение полых сферических оболочек с соотношением длины к диаметру 1:1. Эта структура была сделана из вольфрамата натрия, экскретируется Shewanella водоросли с глюкозой как источника углерода. Перепечатано с разрешения ECS J. твердого состояния наук и Tech., 6(3), N3113 (2017). Авторское право 2017, электрохимического общества. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2: SEM изображение полые длинные нити снарядов с соотношением длины к диаметру 10:1. Эта структура была сделана из Молибдат натрия, экскретируется Pandoraea sp. с глюкозой как источника углерода. Перепечатано с разрешения ECS J. твердого состояния наук и Tech., 6(3), N3113 (2017). Авторское право 2017, электрохимического общества. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3: SEM изображение сломанной полые палочковидные снарядов с соотношением длины к диаметру 3:1. Эта структура была сделана из вольфрамата натрия, экскретируется Shewanella водоросли с глюкозой как источника углерода. Перепечатано с разрешения ECS J. твердого состояния наук и Tech., 6(3), N3113 (2017). Авторское право 2017, электрохимического общества. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4: SEM изображение разрушенной натрия молибдата снарядов с размером частиц зерна 15 Нм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5: SEM изображение разрушенной и не разрушил натрия молибдата снарядов с размером частиц зерна 110 Нм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 6: SEM изображение сломанной полых корпусов с соотношением длины к диаметру 1:1. Эта структура была сделана из вольфрамата натрия, экскретируется Shewanella водоросли с глюкозой как источника углерода. Гранулы размером о 40-60 Нм повесить снаружи корпуса рядом с большой дырой, в то время как сам корпус изготовлен из гранул размером около 22 Нм. Перепечатано с разрешения ECS J. твердого состояния наук и Tech., 6(3), N3113 (2017). Авторское право 2017, электрохимического общества. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Discussion
Что касается самосогласованности экспериментальные результаты подготовка и умножение моноклональных бактерий являются критическими. Этот эксперимент, отличается от шаблона синтеза эксперименты15,16, занятых биоактивные грамотрицательных бактерий. Чтобы получить одной стены, мы выбрали прокариот бактерии вместо эукариотических бактерий, таких как дрожжи15. Для достижения сферической формы с отношением длины к диаметру 1:1, вместо больших соотношение длины к диаметру16, мы кормили бактерий с гораздо более высокой концентрации oxyanions манипулировать их сжатие в сферическую форму, что делает микрокапсулы с один раунд и тонкие стены (< 30 Нм).
Поскольку BME главным образом опирается на корректировке концентрации oxyanions для контроля метаболизма бактерий, она имеет два ограничения. Во-первых концентрацию oxyanions ограничен растворимость, хотя концентрация должна быть как можно более высоким. Во-вторых, наиболее бактериальных метаболизмов остановится при температуре свыше 45 ° C или до 5 ° C соответственно верхние и нижние границы нашего эксперимента.
Несмотря на эти два ограничения BME имеет большой потенциал для изготовления металлических оксидных материалов практический интерес. Для обоснования этой претензии, мы собираемся попробовать этот метод, чтобы сделать микрокапсулы циркония и микрокапсулы железа — бывший, будучи хорошим кандидатом материал для искусственной кости и последний для доставки лекарств.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Эта работа поддерживается Министерством науки и технологии, Тайвань, Республика Китай, под предоставить номер наиболее 105-2221-E-011-008, а также дополнительно-Connectek Inc., Тайбэй, Тайвань, ROC по контракту номер RD ссылка № 6749 и кафедра ссылка № 011 через Окончил институт оптико-инженеров, национальные Тайвань университета науки и технологии.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| LB(Lennox)broth with agar tablets | Sigma-Aldrich | L7075 | 1 tablet for 50 mL broth with agar |
| LB (Lennox) broth | Sigma-Aldrich | L3022-1KG | LB (Lennox) powder 1 kg |
| Dextrose anhydrous | Nihon Shiyaku Reagent | PL 78695 | glucose |
| Sodium Tungstate | Nihon Shiyaku Reagent | PL 76050 | Na2WO4 · 2H2O |
| Sodium Molybdate | Nihon Shiyaku Reagent | PL103564 | Na2MoO4 · 2H2O |
| Sodium Chloride | Nihon Shiyaku Reagent | PL 68131 | NaCl |
| Ethanol 99.5% | Acros organics | AC615090040 | CH3CH2OH |
| Water | Made in our university | de-ionlized water | |
| Autoclave | Tomin Medical Equipmenco, Ltd., Taipei City, Taiwan, ROC | TM-329 | heat to 120 °C for 10 min |
| Centrifuge | Digit System Laboratory System, New Taipei City, Taiwan, ROC | DSC302SD | centrifuge at 2025 x g |
| -80 °C Refrigerator | Panasonic | MDF-U3386S | Use to deep-freeze cryopreserve strain |
| Ultrasonic Homogenizer Sonicator Processor Cell Disruptor | Lenox | UPS-150 | frequency 20 KHz power 150 W |
| Incubator | Customer made | custom made | heat to 40 °C or cool to 18 °C with time cotrol |
| Reciprocal shaking baths | Kingtech Scientific Co., Ltd | WBS-L | |
| Digital Stirring Hot Plate | Corning | #6797-620D | use with PTFE magnetic stirring bar |
| Biosafety cabinet | Zong Yen co., LTD | ZYBH-420 | All bacteria related process are done here |
| Scanning electron microscope | JEOL | JSM-6500F | SEM Images |
| 50 mL centrifudge tube | Falcon | 14-432-22 | |
| 15 mL centrifudge tube | Falcon | 14-959-53A | |
| Laboratory bottle 100 mL | Duran | 21 801 24 5 | |
| Laboratory bottle 500 mL | Duran | 21 801 44 5 | |
| Stainless steel spatula | Chemglass | CG-1981-10 | |
| PTFE Disposable Stir Bars | Fisher | S68066 | |
| Plastic Petri Dishes | Fisher | S33580A | |
| Shewanella algae | Courtesy of author #3 | Courtesy of author #3 | |
| Pandoraea sp. | Courtesy of author #3 | Courtesy of author #3 |
References
- Chertok, B., Moffat, B. A., David, A. E., Yu, F., Bergemann, C., Ross, B. D., Yang, V. Iron Oxide Nanoparticles as a Drug Delivery Vehicle for MRI Monitored Magnetic Targeting of Brain Tumors. Biomaterials. 29 (4), 487 (2008).
- Mansur, C., Pope, M., Pascucci, M. R., Shivkumar, S. Zirconia-Calcium Phosphate Composites for Bone Replacement. Ceramics Int. 24, 11 (1998).
- Wang, Y., Arandiyan, H., Jason Scott, J., Bagheri, A., Dai, H., Amal, R. Recent advances in ordered meso/macroporousmetal oxides for heterogeneous catalysis: a review. J. Mater. Chem. A. 5, 8825 (2017).
- Kleshch, V. I., Rackauskas, S., Nasibulin, A. G., Kauppinen, E. I., Obraztsova, E. D., Obraztsov, A. N. Field Emission Properties of Metal Oxide Nanowires. J. of Nanoelectron. and Optoelectron. 7, 35 (2012).
- Ismagilov, R. R., Tuyakova, F. T., Kleshch, V. I., Obraztsova, E. A., Obraztsov, A. N. CVD nanographite films covered by ALD metal oxides: structural and field emission properties. Phys. Status Solidi C. 12 (7), 1022 (2015).
- Mor, G. K., Shankar, K., Paulose, M., Varghese, O. K., Grimes, C. A. Use of Highly-Ordered TiO2 Nanotube Arrays in Dye-Sensitized Solar Cells. NANO LETT. 6 (2), 215-218 (2006).
- Lee, J. -H. Gas sensors using hierarchical and hollow oxide nanostructures: Overview. Sensors and Actuators B. 140, 319 (2009).
- Poizot, P., Laruelle, S., Grugeon, S., Dupont, L., Tarascon Shankar, J. -M. Nano-sized transition-metal oxides as negative-electrode materials for lithium-ion batteries. Nature. 407, 496 (2000).
- Jang, D., Meza, L. R., Greer, F., Greer, J. R. Fabrication and deformation of three-dimensional hollow ceramic nanostructures. Nature Materials. 12, 893 (2013).
- Lazarus, A., Florijn, H. C. B., Reis, P. M. Geometry-Induced Rigidity in Nonspherical Pressurized Elastic Shells. PRL. 109, 144301 (2012).
- Vella, D., Ajdari, A., Vaziri, A., Boudaoud, A. Indentation of Ellipsoidal and Cylindrical Elastic Shells. PRL. 109, 144302 (2012).
- Xu, H., Wang, W. Template Synthesis of Multishelled Cu2O Hollow Spheres with a Single-Crystalline Shell Wall. Angew. Chem. Int. Ed. 46, 1489 (2007).
- Li, B., Shao, X., Hao, Y., Zhao, Y. Ultrasonic-spray-assisted synthesis of metal oxide hollow/mesoporous microspheres for catalytic CO oxidations. RSC Adv. 5, 85640 (2015).
- Yu, J., Wang, G. Hydrothermal Synthesis and Photocatalytic Activity of Mesoporous Titania Hollow Microspheres. Powder Tech. 301, 96 (2016).
- Xu, G., Zhang, X., Cui, H., Zhang, Z., Ding, J., Wu, J. Facile synthesis of mesoporous SnO2 microspheres using bioactive yeast cell. Powder Tech. 301, 96 (2016).
- Nomura, T., Tanii, S., Ishikawa, M., Tokumoto, H., Konishi, Y. Synthesis of hollow zirconia particles using wet bacterial templates. Adv. Powder Tech. 24, 1013 (2013).
- Frankel, R. B., Bazylinski, D. A. Biologically Induced Mineralization by Bacteria. Rev. in Mineralogy and Geochem. 54 (1), 95 (2003).
- Bazylinski, D. A., Frankel, R. B. Biologically Controlled Mineralization in Prokaryotes. Rev. in Mineralogy and Geochem. 54 (1), 217 (2003).
- Lin, P. -H., Huang, Y. -T., Lin, F. -W. Sodium Tungstate and Sodium Molybdate Hollow Microspheres Biologically Controlled Mineralization in Prokaryotes. ECS J. of Solid State Sci. and Tech. 6 (3), N3113 (2017).
