Dieser Artikel stellt ein Protokoll für die Herstellung von proteinbasierten Nanopartikeln vor, das die hydrophobe Oberfläche in hydrophil umwandelt. Das hergestellte Nanopartikel ist eine Anordnung von Gliadin-Cyanacrylat-Diblock-Copolymeren. Durch die Sprühbeschichtung mit dem erzeugten Nanopartikel wird die Oberfläche des Zielmaterials in eine hydrophile Oberfläche umgewandelt.
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Methodenartikel
Ein Protokoll zur Herstellung von Gliadin-cyanacrylat Nanopartikel für die hydrophile Beschichtung
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Dieser Artikel stellt ein Protokoll für die Herstellung von Protein-basierten Nanopartikel, die die hydrophobe Oberfläche hydrophil durch eine einfache Spritzbelages ändert. Diese Nanopartikel werden durch die Polymerisationsreaktion von Alkylcyanoacrylat auf der Oberfläche der Getreideprotein (Gliadin) Moleküle hergestellt. Alkylcyanoacrylatzusammensetzung ist ein Monomer, das sofort bei RT polymerisiert, wenn es auf die Oberfläche von Materialien aufgebracht wird. Seine Polymerisationsreaktion wird durch die Spurenmengen von schwach basischen oder nukleophilen Spezies auf der Oberfläche, einschließlich der Feuchtigkeit initiiert. Einmal polymerisiert, zeigen die polymerisierten Alkylcyanoacrylaten eine starke Affinität zu den Objektmaterialien, weil Nitrilgruppen im Rückgrat aus Poly (Alkylcyanoacrylat) sind. Proteine arbeiten auch als Initiator für diese Polymerisation, weil sie Amingruppen enthalten, die die Polymerisation von Cyanoacrylat initiieren kann. Wenn aggregiertem Protein als ein Initiator verwendet wird, Proteinaggregat wird durch die hydrophoben umgebenPoly (alkyl Cyanacrylat) Ketten nach der Polymerisationsreaktion von Alkylcyanoacrylat. Durch die Versuchsbedingungen zu steuern, Partikel im Nanometerbereich erzeugt werden. Die hergestellten Nanopartikel adsorbieren leicht an der Oberfläche der meisten Materialien einschließlich Glas, Metallen, Kunststoffen, Holz, Leder und Textilien. Wenn die Oberfläche eines Materials mit der hergestellten Nanopartikel-Suspension und wäscht mit Wasser besprüht wird, werden die micellare Struktur der Nanoteilchen ändert seine Konformation und die hydrophilen Proteine der Luft ausgesetzt. Als Ergebnis ändert sich die Nanopartikel-beschichteten Oberfläche hydrophil.
Einleitung
Das Ziel dieses Artikels ist es, das Protokoll für die Herstellung von Nanopartikelsuspension zu zeigen, das die Benetzungseigenschaften von Materialien durch ein einfaches Spray modifiziert. Die vorgestellte Nanopartikelsuspension wird aus Alkylcyanacrylat1 und einem Getreideprotein, Gliadin2,3, hergestellt. Während des Herstellungsprozesses werden in wässrigem Ethanol4 Proteinaggregate gebildet. Die anschließende Reaktion mit dem Monomer (Alkylcyanacrylat) erzeugt das Nanopartikel, das aus einem Proteinkern besteht, der von linearen Polymerketten umgeben ist [Poly(alkylcyanacrylat)]5.
Poly(alkylcyanacrylat)s sind biologisch abbaubar und wurden zur Herstellung von Nanopartikeln durch Emulsionspolymerisationverwendet 6. Diese Reaktion wird spontan durch die aus Wasser dissoziierten Hydroxylgruppen oder durch andere nukleophile Gruppen im Reaktionsmedium7 ausgelöst. Im Falle der in diesem Artikel vorgestellten Reaktion initiieren die Amingruppen auf der Oberfläche von Proteinaggregaten die Polymerisationsreaktion der Alkylcyanacrylat-Monomere5,8. Als Ergebnis dieser Reaktion werden Nanopartikel im Reaktionsmedium gebildet. Der Kern des Nanopartikels besteht aus Proteinaggregaten und die äußere Schicht aus Poly(alkylcyanacrylat) (PACA)-Ketten. Das präparierte Nanopartikel hat eine starke Affinität zu den meisten Materialien (genauer gesagt zu jedem Material, an dem PACA adsorbieren kann) und haftet an deren Oberfläche, um eine dünne Beschichtung auf der Nanometerskala zu bilden. Eine einfache Sprühbeschichtung färbt die Oberfläche des Materials sofort hydrophil.
Gliadin ist eine der Hauptfraktionen von Gluten, das in den Endospermen des Weizens enthalten ist. Gliadine sind hauptsächlich monomere Proteine mit Molekulargewichten um 28.000 - 55.000. Nicht-kovalente Bindungen wie Wasserstoffbrückenbrücken, ionische Bindungen und hydrophobe Bindungen sind für die Aggregation von Gliadinenverantwortlich 2. Obwohl in diesem Artikel Gliadin als Reaktant gewählt wird, können auch viele andere Proteine für den gleichen Zweck verwendet werden. Die Reaktionsbedingung muss jedoch entsprechend modifiziert werden, da die Bedingung für die Induktion der Aggregation von der Art des zu verwendenden Proteins abhängt8. Im Vergleich zu anderen Proteinen ist Gliadin leichter verfügbar, die Reinigung ist einfach und die Produktionskosten sind niedrig. Obwohl Ethylcyanacrylat (ECA) als Monomer für die vorgestellte Reaktion gewählt wird, können auch andere Alkylcyanacrylate für die gleiche Reaktion verwendet werden. Der Grund für die Wahl von ECA ist, dass es leicht und kostengünstig verfügbar ist.
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Protokoll
1. Entfettung Gewerbe Gliadin
- Messen Sie 150 ml Aceton mit einem Messzylinder abgemessen und in 250 ml-Erlenmeyerkolben.
- Während mit einem Spin-Bar auf einem Magnetrührer Rühren bei RT 30 g handelsübliches Gliadin Pulver hinzufügen. Verschließen Sie die Öffnung der Flasche mit Aluminiumfolie und halten auf O / N in der Haube gerührt wurde.
- Filtrieren der Lösung mit einem Filterpapier.
- Das Filtrat wird mit frischem Aceton (ca. 50 ml). Lassen Sie stehen für 10 Minuten das Aceton ablaufen zu lassen.
- Das Filtrat zusammen mit dem Filterpapier unter einer großen Schale wie beispielsweise eine Zellkultur quadratische Schale. Decken Sie die ganze Schüssel mit einem großen Filterpapier zu verlangsamen das Verdampfen von Rest Aceton nach unten.
- Lassen Sie das Filtrat vollständig in die Haube O / N zu trocknen. Bewahren Sie die entfettet Gliadin in einem luftdichten Behälter bei RT.
2. Herstellung von gereinigtem Gliadin
- Messen Sie 150 ml water mit einem Messzylinder abgemessen und in 1.000 ml Erlenmeyerkolben.
- Messen Sie 350 ml absolutem Ethanol mit einem Durcheinander Zylinder und strömen in die gleiche 1.000 ml Erlenmeyerkolben. Rühre kräftig (800 - 1000 rpm) mit einem Rührstab, bis keine Luftblase aus dem Lösungsgemisch erzeugt wird.
- Unter Rühren werden 20 g entfettetes kommerziellen Gliadin Pulver. Hinzufügen Gliadin in kleinen Mengen zu einer Zeit, um die Bildung von Klumpen zu vermeiden, dass Luft in der Mitte enthält. Halten Sie sich auf dem Rühren O / N.
- Übertragen Sie die gesamte Lösung auf einen 1000 ml Chaos Zylinder. Lassen Sie zwei Tage lang stehen. Während dieser Zeit Verunreinigungen werden am Boden des Zylinders ausgefällt werden.
- Den Überstand in einen Rotationsverdampfer mit einer Pipette, und Entfernen von Ethanol aus dem Überstand, so viel wie möglich. Da der Anteil von Ethanol reduziert wird, wird Gliadin in der Lösung als Aggregat erscheinen.
- Frieren Sie die Lösung, die Gliadin-Aggregate durch Tauchen / Drehen in Methanol/ Trockeneis-Mischung und gefrier trocken bei -70 ° C im Vakuum. Vor dem Gefriertrocknen, stellen Sie sicher, dass die gesamte Lösung ohne Flüssigkeit gefroren ist.
HINWEIS: Das gefriergetrocknete Gliadin einen porösen Feststoff zu bilden. - Crush das gefriergetrocknete Gliadin mit Mörser und Stößel, und schleifen mit einer Kaffeemühle eine feine Leistung (<0,5 mm) zu erhalten. Das Produkt in einem luftdichten Behälter und Speicher bei RT.
3. Polymerisation Reaktion von ECA mit Gliadin
- Legen Sie ein Szintillationsphiole (Volumen etwa 20 ml) in einer Waage und tarieren. In 3,2 g destilliertes Wasser und 6,8 g absolutem Ethanol in der scitillation Fläschchen.
- Bewegen Sie den Szintillationsfläschchen auf einem Magnetrührer, legte einen magnetischen Spin bar (20 x 3 mm) in das Fläschchen und kräftig rühren (800 - 1000 Umdrehungen pro Minute), bis keine Luftblase aus der wäßrigen Ethanol-Gemisch erzeugt wird.
- Werden 40 ul 4 N HCl in das Fläschchen unter Rühren. In 20 mg Gliadin in das Fläschchen während sti Rring, und halten Sie auf dem Rühren bis Gliadin Pulver vollständig in der wässrigen Ethanol-Gemisch gelöst ist.
- Nachdem die Gliadin-Lösung ist klar auf die bloßen Augen sicher, fügen Sie langsam 80-100 ul ECA während Rührgeschwindigkeit noch 800 - 1000 Umdrehungen pro Minute.
- Senken Sie die Rührgeschwindigkeit auf 500 Umdrehungen pro Minute, und weiterhin für 1 Stunde gerührt wurde. Da die Reaktion fortschreitet, beobachten Trübung, die die Polymerisationsreaktion zeigt an, dass im Gange ist.
- Wenn die Reaktion beendet ist, wird die Lösung in Zentrifugenröhrchen und das Gewicht der Rohre auszugleichen. Zentrifugieren Sie das Reaktionsprodukt bei 10.000 × g für 20 min. Während dieser Zeit bleiben Nebenprodukt fällt aus und Nanopartikel in der überstehende. Die Hauptkomponente von Nebenprodukt ist PACA-Homopolymer.
- Nach der Zentrifuge, übertragen die erzeugte Nanopartikel-Suspension (Überstand) mit einer Pipette in ein Szintillationsphiole (oder einem luftdichten Behälter), und speichern Sie es bei RT.
- Bereiten Sie 10 g von 68 Gew% igen wässrigen Ethanol durch Mischen von 3,2 g Wasser und 6,8 g absolutem Ethanol in 20 ml Szintillationsphiole und rühren, bis keine Luftblase aus dem Lösungsgemisch erzeugt wird.
- Werden 40 ul 4 N HCl-Lösung zu der Mischung unter Rühren. Zugabe von 50 & mgr; l Nanopartikel-Suspension auf die vorbereitete Ethanollösung unter Rühren.
- Messen Sie die Größe der Nanopartikel mit Dynamic Light Scattering (DLS) von der Probenlösung unter Verwendung von oben und folgen Sie den Anweisungen des Herstellers.
HINWEIS: Die Größe des Endprodukts hat kleiner als 200 nm sein. Wenn sie größer als 200 nm ist, der das Produkt nicht über einen längeren Zeitraum stabil sein. Größere Nanopartikel werden erzeugt, wenn die verwendete ECA nicht frisch ist.
5. Prüfung des Produkts
- Bereiten Sie eine Glasplatte wie einen Handspiegel. Waschen Sie die Oberfläche der Glasplatte mit Seifenwasser. Rinse der Oberfläche der Glasplatte mit fließendem Wasser. Trocknen der gereinigten Oberfläche oder verwenden, ohne für den nächsten Schritt zu trocknen.
- Sprühen Sie die Nanopartikel-Suspension in 3.6) auf einem Teil der Glasplatte erhalten, und spülen Sie sofort die Oberfläche mit Wasser abfließt.
- Spray reines Wasser auf der Oberfläche der Glasplatte. Achten Sie auf die beschichtete (versprüht mit Nanopartikel-Suspension) Oberfläche halten Wasserschicht, während die unbeschichteten Oberfläche ist klar.
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Ergebnisse
Nanopartikel können in verschiedenen Reaktionsbedingungen hergestellt werden. Gliadin bildet aggregieren in breite Palette von Ethanolgehalt 5. Allerdings muss die Größe der Aggregate so klein wie möglich sein , weil eine zusätzliche Schicht (dh., Polymerisiertes ECA) wird zu diesem Aggregat zugesetzt werden , und dieser Prozess wird die Endgröße größer. Wenn die endgültige Größe der Teilchen zu groß ist, wird das Teilchen instabil und wird leicht ausgefällt werden. D...
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Diskussion
Bei der Herstellung der Nanopartikelsuspension gibt es mehrere kritische Schritte. Enthält das gereinigte Gliadin Verunreinigungen, entstehen bei der Reaktion mit ECA Nebenprodukte. Obwohl diese unerwünschten Produkte während der Zentrifugationsstufe aus dem Reaktionsmedium entfernt werden können, verringert dies die Ausbeute des Hauptprodukts. Zeigt die im Versuchsschritt 2.3) hergestellte Gliadinlösung nach zwei Tagen keine klare Trennung zwischen Überstand und Niederschlag, muss die Lösung längere Zeit stehen. Die Ver...
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Offenlegungen
Die Erwähnung von Handelsnamen oder kommerziellen Produkten in dieser Veröffentlichung dient ausschließlich dem Zweck, spezifische Informationen bereitzustellen, und impliziert keine Empfehlung oder Billigung durch das US-Landwirtschaftsministerium. USDA ist ein Anbieter und Arbeitgeber für Chancengleichheit.
Danksagungen
Vielen Dank an Herrn Jason Adkins für technische Unterstützung durch Experten.
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Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Ethylcyanacrylat (ECA)-Monomer | K& R International (Laguna Niguel, CA) | I-1605 | Jede reine ECA kann verwendet werden. |
| Gliadin | MGP Ingredients, Inc (Atchison, KS) | Ein Geschenk der Firma | Gliadin kann bei Sigma-Aldrich (Kat #: G3375-25G) erworben werden. Anstelle von Gliadin können alle Werbespots Gluten kann verwendet werden. |
| HCl | Beliebig | Es kann jede Chemikalie in Reagenzienqualität verwendet werden. | |
| Aceton | Beliebig | Jede Chemikalie in Reagenzienqualität kann verwendet werden. | |
| Methanol | Beliebig | Es kann jede Chemikalie in Reagenzienqualität verwendet werden. | |
| Ethanol (100%) | Jede | Chemikalie in Reagenzienqualität kann verwendet werden. | |
| Filterpapier | Beliebig | Es kann Filterpapier jeder Güte, das größer als 10 cm ist, verwendet werden. | |
| Zellkultur quadratische Schale | Beliebig | Jede Schale, die größer als 20 x 20 cm ist, kann verwendet werden. | |
| Kaffeemühle | Beliebig | Es kann jede Kaffeemühle verwendet werden. | |
| Rotationsverdampfer | Beliebig Es | kann jeder Rotationsverdampfer verwendet werden. | |
| Gefriertrockner | Beliebig | Jeder Gefriertrockner, der -70 & Grad erreichen kann; C verwendet werden. | |
| Zentrifuge | Beliebig | Es kann jede Zentrifuge verwendet werden, die 1.000 x g aufbringen kann. | |
| Magnetrührer | Beliebig | Es kann jeder Magnetrührer verwendet werden, der den Schleuderstab auf 1.000 U/min drehen kann. | |
| Dynamische Lichtstreuung (DLS) | Brookhaven Instruments Corporation | NanoBrook Omni Zeta Potential Analyzer | DLS von jedem Unternehmen kann verwendet werden. |
| Rasterelektronenmikroskop (REM) | Carl Zeiss Inc. | Jedes REM kann verwendet werden. | |
| Dynamischer Kontaktwinkel (DCA) | Thermo Cahn Instruments | Es kann jeder DCA verwendet werden. |
Referenzen
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- Wieser, H. Chemistry of gluten proteins. Food Microbiol. 24, 115-119 (2007).
- Bietz, J. A., Wall, J. S. Identity of high molecular weight gliadin and ethanol soluble glutenin subunits of wheat: Relation to gluten structure. Cereal Chem. 57, 415-421 (1980).
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- Kim, S., Kim, Y. Production of gliadin-poly(ethyl cyanoacrylate) nanoparticles for hydrophilic coating. J. Nanopart. Res. 16, 1-10 (2014).
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