两亲性金纳米颗粒可用于多种生物应用。本文介绍了一种合成由双组分配体混合物包覆的金纳米颗粒的方案,并对这些颗粒进行了详细表征。
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两亲性金纳米颗粒可用于多种生物应用。本文介绍了一种合成由双组分配体混合物包覆的金纳米颗粒的方案,并对这些颗粒进行了详细表征。
由1-辛硫醇(OT)和11-巯基-1-十一烷磺酸(MUS)混合物包覆的金纳米颗粒因其与细胞膜、脂质双层及病毒的相互作用而被广泛研究。亲水性配体使这些颗粒在水溶液中具有胶体稳定性,而与疏水性配体的结合则形成两亲性颗粒,可负载疏水性药物,与脂质膜融合,并抵抗非特异性蛋白质吸附。这些性质中的许多取决于纳米颗粒的尺寸和配体壳层的组成。因此,拥有可重复的合成方法以及可靠的表征技术,以确定纳米颗粒的性质和配体壳层组成,显得至关重要。本文介绍了一种单相化学还原法,随后进行彻底纯化,用于合成直径小于5 nm的此类纳米颗粒。通过调节合成过程中两种配体的化学计量比,可调控纳米颗粒表面两种配体的比例。我们展示了如何结合多种常规技术,如透射电子显微镜(TEM)、核磁共振(NMR)、热重分析(TGA)和紫外-可见(UV-Vis)光谱法,对纳米颗粒的理化参数进行全面表征。
金纳米颗粒的配体壳可通过工程化设计展现出多种不同性质,从而应用于解决生物医学领域的各种挑战1,2,3,4。这种多样性使得人们能够调控纳米颗粒与生物分子之间的分子间相互作用5,6,7。其中,疏水性和电荷起着决定性作用,此外还有其他影响纳米颗粒与生物分子相互作用方式的表面参数5,8,9。为了调节纳米颗粒的表面特性,可通过选择构成配体壳的硫醇盐分子,根据所需特性提供多种可能性。例如,常使用具有疏水性和亲水性(例如, 带电)末端基团的配体分子混合物来制备两亲性纳米颗粒10,11。
这类纳米颗粒的一个典型例子是由OT和MUS的混合物保护的纳米颗粒(下文称为MUS:OT纳米颗粒),已被证明具有多种重要特性12,13,14。首先,当配体壳的组成为66% MUS(下文记为66:34 MUS:OT)时,纳米颗粒具有很高的胶体稳定性,在去离子水中最高可达33%(质量分数),在磷酸盐缓冲盐水(1×,4 mM磷酸盐,150 mM NaCl)中同样稳定15。此外,这些颗粒在相对较低的pH值下也不会沉淀:例如,在pH 2.3和1 M NaCl盐浓度条件下15,这些纳米颗粒仍可保持数月的胶体稳定性。配体壳上两种分子之间的化学计量比至关重要,因为它决定了纳米颗粒在高离子强度溶液中的胶体稳定性16。
这些颗粒已被证实能够穿过细胞膜而不对其造成穿孔, 通过 一种不依赖能量的通路1,12这些颗粒与脂质双分子层之间的自发融合是其在细胞膜中扩散能力的基础17这种相互作用的机制在于与脂质双分子层融合时,疏水性溶剂可接触表面积与水分子之间的接触达到最小化。18与全MUS纳米颗粒(壳层仅含有MUS配体的纳米颗粒)相比,混合MUS:OT纳米颗粒(例如MUS:OT组成为66:34时)更高的疏水性增加了其核心直径与脂质双分子层发生融合的范围18配体壳层的不同自组装结构与66:34 MUS:OT纳米颗粒和多种蛋白质(如白蛋白和泛素)的结合模式密切相关,而全MUS颗粒则表现出不同的行为。19最近有报道称,66:34 MUS:OT 纳米颗粒可作为广谱抗病毒剂,通过 MUS 配体的多价静电结合以及 OT 配体与衣壳蛋白的非局域耦合作用,不可逆地破坏病毒。14在所有这些情况下,研究发现纳米粒子的疏水含量及其核尺寸决定了这些生物-纳米相互作用的发生方式。MUS:OT 纳米粒子的这些多样化特性已促使大量计算机模拟研究的开展,旨在阐明 MUS:OT 粒子与脂质双分子层等各类生物结构之间相互作用的潜在机制20.
制备MUS:OT保护的金纳米颗粒存在一些挑战。首先,带电配体(MUS)与疏水配体(OT)互不相溶。因此,在整个合成过程以及表征过程中,都需要考虑纳米颗粒及配体的溶解性。此外,MUS配体分子的纯度——特别是起始材料中无机盐的含量——会影响纳米颗粒的质量、重现性以及短期和长期的胶体稳定性。
本文详细阐述了由MUS和OT混合物保护的这类两亲性金纳米颗粒的合成与表征方法。报道了一种合成带负电荷的MUS配体的方案,以确保其纯度,从而保证不同纳米颗粒合成的可重复性。随后,详细描述了基于常见单相合成法并结合彻底纯化步骤的纳米颗粒制备过程。综合运用多种必要的表征技术21,如透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见光谱(UV-Vis)、热重分析(TGA)和核磁共振(NMR),以获得后续生物学实验所需的全部参数。
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1. 11-巯基-1-十一烷磺酸盐(MUS)的合成
注意:本方案可根据需要在任意规模下使用。此处描述的是10 g产物规模的实验。
2. 纳米颗粒合成:试剂的制备
3. 金纳米颗粒的合成
4. 合成产物的后处理
5. 纳米颗粒的表征
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合成MUS的反应步骤如图1所示。每一步反应产物的1H NMR谱图如图2所示。二元MUS:OT两亲性金纳米颗粒的合成流程如图3所示。合成完成后,对纳米颗粒进行后处理,包括用乙醇和去离子水多次洗涤。在对纳米颗粒进行任何表征之前,通过在D2O中进行1H NMR检测来监测未结合游离配体的去除情况,结果如图4所示。纳米颗粒的尺寸分布通过透射电子显微镜(TEM)进行表征(图5a,b)。局域表面等离子体共振吸收通过采集紫外-可见(UV-Vis)光谱进行测定(图5c)。
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本实验方案首先描述了MUS配体的合成,然后介绍了两亲性MUS:OT金纳米颗粒的合成与表征。在MUS合成过程中尽量减少盐的含量,有助于在纳米颗粒合成过程中更可靠地控制配体之间的化学计量比,这是可重复地制备具有目标疏水含量的MUS:OT纳米颗粒的关键因素(图8)。使用甲醇作为MUS和OT的共溶剂,并在乙醇中进行纳米颗粒的合成,可实现MUS:OT金纳米颗粒的可靠制备。本文所介绍的表征方法构成了获取纳米颗粒充分信息以验证其合成结果所需的最基本实验清单。
本实验方案包含四个关键步骤:(i)合成低盐含量的MUS,同时在第二步中去除有色杂质,并最终结晶得到纯化的MUS;(ii)调节并确定MUS与OT之间的化学计量比;(iii)纳米颗粒的后处理;以及(iv)纳米颗粒的表征。
在纳米颗粒形成过程中,MUS优先结合到纳米颗粒表面,这可能与所形成纳米颗粒的溶解度有关。例如,根据数据计算,当MUS与OT的投料摩尔比为2:1时,纳米颗粒表面的OT占比为15% 1蚀刻金纳米...
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作者无任何利益冲突需要披露。
Z.P.G. 和 F.S. 感谢瑞士国家科学基金会,特别是“分子系统工程”国家能力研究中心(NCCR)的支持。Z.L. 和 F.S. 感谢瑞士国家科学基金会第二部类资助项目的支持。所有作者感谢Quy Ong在富有成效的讨论以及对稿件校对方面提供的帮助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 11-溴-1-十一碳烯 | Sigma Aldrich | 467642-25 ml | |
| 亚硫酸钠 | Sigma Aldrich | S0505-250 g | |
| 苄基三乙基溴化铵 | Sigma Aldrich | 147125-25 g | |
| 甲醇 | VWR | BDH1135-2.5 LP | |
| 去离子水 | Millipore | ZRXQ003WW | 去离子水 |
| 1 L 圆底烧瓶 | DURAN | 24 170 56 | |
| 乙醚 | Sigma Aldrich | 1.00930 EMD Millipore | |
| 搅拌子 | Sigma Aldrich | Z329207, | |
| 道康宁高真空润滑脂 | Sigma Aldrich | Z273554 ALDRICH | |
| 抽滤瓶 | DURAN | 20 201 63 | |
| 布氏漏斗 | FisherSci | 11707335 | |
| 乙醇 >99.8%, ACS, 试剂级 | VWR | 2081.321DP | |
| 重水 | Sigma Aldrich | 151882 ALDRICH | |
| 硫代乙酸 96% | Sigma Aldrich | T30805 ALDRICH | |
| 炭黑 | Sigma Aldrich | 05105-1KG | |
| 硅藻土 | Sigma Aldrich | D3877 SIGMA-ALDRICH | 过滤介质 |
| 冷凝管 | Sigma Aldrich | Z531154 | |
| 盐酸,ACS 试剂级,37% | Sigma Aldrich | 320331 SIGMA-ALDRICH | |
| 氢氧化钠,BioXtra,颗粒(无水) | Sigma Aldrich | S8045 SIGMA-ALDRICH | |
| 离心管 | VWR | 525-0155P | |
| 250 mL 圆底烧瓶 | DURAN | 24 170 37 | |
| 500 mL 圆底烧瓶 | DURAN | 24 170 46 | |
| 硝酸,fACS 试剂级,70% | Sigma Aldrich | 438073 SIGMA-ALDRICH | |
| 三水合氯化金(III) >99.9%,痕量金属级 | Sigma Aldrich | 520918 ALDRICH | |
| 1-辛硫醇 >98.5% | Sigma Aldrich | 471836 ALDRICH | |
| 硼氢化钠,纯度 p.a. >96% | Sigma Aldrich | 71320 ALDRICH | |
| 滴液漏斗 | Sigma Aldrich | Z330655 SIGMA | |
| 漏斗 | DURAN | 21 351 46 | |
| 2V 折叠滤纸 | Whatman | 1202-150 | |
| Amicon 滤膜 | Merck | UFC903024 | |
| 碘,ACS 试剂级,>99.8%,固体 | Sigma Aldrich | 207772 SIGMA-ALDRICH | |
| 5 mm NMR 样品管,型号 5HP(高精度) | Armar | 32210.503 | 长度 178 mm |
| 氘代甲醇-d4 99.8 原子%D | Armar | 16400.2035 | |
| 热重分析坩埚 | Thepro | 9095-9270.45 | |
| 400 目铜载碳支持膜铜网 | Electron Microscopy Science | CF400-Cu | |
| 石英比色皿 | Hellma Analytics | 100-1-40 |
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