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Methodenartikel

Synthese und Charakterisierung von amphiphilen Gold-Nanopartikeln

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DOI:

10.3791/58872

⸱

2. Juli 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Institute of Materials, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, 2School of Materials, University of Manchester, 3Interfaculty Institute of Bioengineering, École Polytechnique Fédérale de Lausanne

* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Amphiphile Gold-Nanopartikel können in vielen biologischen Anwendungen eingesetzt werden. Ein Protokoll zur Synthese von Gold-Nanopartikeln, die durch eine binäre Mischung von Liganden beschichtet sind, und eine detaillierte Charakterisierung dieser Partikel werden vorgestellt.

Zusammenfassung

Gold-Nanopartikel, die mit einer Mischung aus 1-Oktanethiol (OT) und 11-Mercapto-1-undecane-Sulfonsäure (MUS) bedeckt sind, wurden aufgrund ihrer Wechselwirkungen mit Zellmembranen, Lipid-Doppelschichten und Viren ausgiebig untersucht. Die hydrophilen Liganden machen diese Partikel in wässrigen Lösungen kolloidstabil und die Kombination mit hydrophoben Liganden erzeugt ein amphiphiles Teilchen, das mit hydrophoben Medikamenten beladen werden kann, mit den Lipidmembranen verschflüssigt wird und unspezifischen Proteinadsorption. Viele dieser Eigenschaften hängen von der Größe der Nanopartikel und der Zusammensetzung der Ligandenschale ab. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, eine reproduzierbare synthetische Methode und zuverlässige Charakterisierungstechniken zu haben, die die Bestimmung der Nanopartikeleigenschaften und der Ligandenschalenzusammensetzung ermöglichen. Hier wird eine einphasige chemische Reduktion, gefolgt von einer gründlichen Reinigung zur Synthese dieser Nanopartikel mit Durchmessern unter 5 nm, vorgestellt. Das Verhältnis zwischen den beiden Liganden auf der Oberfläche des Nanopartikels kann durch ihr stöchiometrisches Verhältnis, das während der Synthese verwendet wird, abgestimmt werden. Wir zeigen, wie verschiedene Routinetechniken wie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Kernspinresonanz (NMR), thermogravimetrische Analyse (TGA) und ultraviolett-sichtbare (UV-Vis) Spektrometrie umfassend zu die physikalisch-chemischen Parameter der Nanopartikel charakterisieren.

Einleitung

Die Ligandenschale aus Gold-Nanopartikeln kann so konstruiert werden, dass sie verschiedene Eigenschaften aufweist, die angewendet werden können, um Herausforderungen in der Biomedizin zu bewältigen1,2,3,4. Eine solche Vielseitigkeit ermöglicht die Kontrolle der intermolekularen Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln und Biomolekülen5,6,7. Hydrophobizität und Ladung spielen eine entscheidende Rolle, ebenso wie andere Oberflächenparameter, die beeinflussen, wie Nanopartikel mit Biomolekülen5,8,9interagieren. Um die Oberflächeneigenschaften der Nanopartikel zu optimieren, bietet die Wahl der Thiolatemoleküle, aus denen die Ligandenschale besteht, eine Vielzahl von Möglichkeiten, je nach den angestrebten Eigenschaften. Zum Beispiel wird eine Mischung aus Ligandenmolekülen mit hydrophoben und hydrophilen(z.B.geladenen) Endgruppen häufig verwendet, um amphiphile Nanopartikel10,11zu erzeugen.

Ein prominentes Beispiel für diese Art von Nanopartikeln wird durch eine Mischung aus OT und MUS (nachfolgend MUS:OT-Nanopartikel genannt) geschützt, die nachweislich viele relevante Eigenschaften besitzt12,13,14. Erstens ist die kolloidale Stabilität der Nanopartikel mit einer Ligandenschalenzusammensetzung von 66% MUS (nachfolgend 66:34 MUS:OT) hoch und erreicht bis zu 33% Gewicht in entionisiertem Wasser sowie in phosphatgepufferter Salzsäure (1x, 4 mM Phosphat, 150 mM NaCl)15. Darüber hinaus fallen diese Partikel nicht bei relativ niedrigen pH-Werten aus: So bleiben diese Nanopartikel bei pH 2,3 und bei Salzkonzentrationen von 1 M NaCl15monatelang kolloidal stabil. Das stoichiometrische Verhältnis zwischen den beiden Molekülen auf der Ligandenschale ist wichtig, da es die kolloidale Stabilität in Lösungen mit einer hohen Ionenstärkediktiert 16.

Es hat sich gezeigt, dass diese Teilchen die Zellmembran durchqueren, ohne sie über einen energieunabhängigen Weg1,12zu durchqueren. Die spontane Verschmelzung zwischen diesen Teilchen und Lipid-Doppelschichten liegt ihrer Diffusivität durch Zellmembranenzugrunde 17. Der Mechanismus hinter dieser Wechselwirkung ist die Minimierung des Kontakts zwischen einer hydrophoben lösungsmittelzugänglichen Oberfläche und Wassermolekülen bei der Fusion mit Lipid-Doppelschichten18. Im Vergleich zu All-MUS-Nanopartikeln (Nanopartikel, die nur den MUS-Ligand auf ihrer Schale haben) erhöht die höhere Hydrophobie bei gemischten MUS:OT-Nanopartikeln (z. B. bei einer MUS:OT-Zusammensetzung von 66:34) die Spannweite des Kerndurchmessers, der mit Lipid verschmelzen kann. Doppelschichten18. Verschiedene Selbstmontage-Organisationen der Ligandenschale korrelieren im Vergleich zu All-MUS-Partikeln19mit unterschiedlichen Bindungsmodi von 66:34 MUS:OT-Nanopartikeln mit verschiedenen Proteinen wie Albumin und Ubiquitin. Kürzlich wurde berichtet, dass 66:34 MUS:OT-Nanopartikel als antivirales Breitspektrum-Mittel verwendet werden können, das die Viren aufgrund multivalenter elektrostatischer Bindungen von MUS-Liganden und nichtlokalen Kopplungen von OT-Liganden an Kapsid irreversibel zerstört. Proteine14. In all diesen Fällen wurde festgestellt, dass der hydrophobe Gehalt sowie die Kerngröße der Nanopartikel bestimmen, wie diese Bio-Nano-Wechselwirkungen stattfinden. Diese vielfältigen Eigenschaften von MUS:OT-Nanopartikeln haben viele Computersimulationsstudien veranlasst, die darauf abzielten, die Mechanismen zu klären, die den Wechselwirkungen zwischen MUS:OT-Partikeln und verschiedenen biologischen Strukturen wie Lipid-Bilayern20zugrunde liegen.

Die Herstellung von MUS:OT-geschützten Au-Nanopartikeln stellt einige Herausforderungen dar. Erstens sind der geladene Ligand (MUS) und der hydrophobe Ligand (OT) nicht mischbar. Daher muss die Löslichkeit der Nanopartikel und der Liganden bei der Synthese sowie bei der Charakterisierung berücksichtigt werden. Darüber hinaus beeinflusst die Reinheit der MUS-Ligandmoleküle – insbesondere der Gehalt an anorganischer Salze im Ausgangsmaterial – die Qualität, Reproduzierbarkeit sowie die kurz- und langfristige kolloidale Stabilität der Nanopartikel.

Hier wird eine detaillierte Synthese und Charakterisierung dieser Klasse von amphiphilen Gold-Nanopartikeln skizziert, die durch eine Mischung aus MUS und OT geschützt sind. Ein Protokoll zur Synthese des negativ geladenen MUS-Ligands soll die Reinheit und damit die Reproduzierbarkeit verschiedener Nanopartikelsynthesen gewährleisten. Dann wird das Verfahren zur Erzeugung dieser Nanopartikel, basierend auf einer gemeinsamen einphasigen Synthese, gefolgt von einer gründlichen Reinigung, ausführlich berichtet. Verschiedene notwendige Charakterisierungstechniken21, wie TEM, UV-Vis, TGA und NMR, wurden kombiniert, um alle notwendigen Parameter für weitere biologische Experimente zu erhalten.

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Protokoll

1. Synthese von 11-Mercapto-1-undecanesulfonat (MUS)

HINWEIS: Dieses Protokoll kann in jedem gewünschten Maßstab verwendet werden. Hier wird eine 10 g Produktskala beschrieben.

  1. Natrium undec-10-Enesulfonat
    1. 11-bromo-1-undecene (25 ml, 111.975 mmol), Natriumsulfit (28,75 g, 227,92 mmol) und Benzyltriethylammoniumbromid (10 mg) zu einer Mischung aus 200 ml Methanol (MeOH) und 450 ml deionisiertem (DI) Wasser (4:9 v/v MeOH:H2O Verhältnis) in einem 1 L Rundbodenkolben .
    2. Reflux das Reaktionsgemisch bei 102 °C für 48 h. Kappen Sie das System mit einem Druckentlastungsmechanismus – z. B. einem Ballon mit einer Nadel oder einfach einer Nadel. Diese Reaktion ist nicht empfindlich gegenüber atmosphärischen Gasen.
      HINWEIS: Die Lösung wird farblos, wenn die Reaktion abgeschlossen ist.
    3. Verbinden Sie das Reaktionsgemisch mit einem Rotationsverdampfer, um MeOH zu verdampfen und das Volumen auf ca. 300 ml zu reduzieren.
    4. Übertragen Sie die restliche Lösung auf einen 1 L-Zusatztrichter.
    5. Extrahieren Sie die verbleibende wässrige Lösung 5x mit Diethylether, mit dem Zusatztrichter. Unreagierte 11-Brom-1-Undecen bleibt in der Phase der Esletther und des sulfonierten Produkts in H2O.
      VORSICHT: Lösen Sie während der Extraktion häufig Druckaufbau und konsultieren Sie die korrekte Verwendung von Additionstrichtern.
    6. Sammeln Sie die endgültige extrahierte Wasserlösung in einem 1 L Einhals-Rundkolben.
    7. Verbinden Sie den Reaktionskolben mit einem Rotationsverdampfer, indem Sie ein wenig Fett (oder Teflon-Ringstreifen oder ein anderes Dichtmittel) zwischen den Kolben und die Falle legen.
    8. Verringern Sie das Vakuum langsam, um die wässrige Phase in einem Rotationsverdampfer zu verdampfen. Da es sich bei dem Produkt um ein Tensid handelt, kommt es während der Verdunstung zu Schäumen. Um dieses Problem zu umgehen, befolgen Sie die Anweisungen im nächsten Schritt.
      1. Fügen Sie Ethanol in das Gemischein, um die Verdunstung von H2 O zu beschleunigen und Schaumbildung zu verhindern. Wenn das Schäumen aufgrund der Abnahme des Ethanolgehalts wieder anläuft, stoppen Sie die Verdunstung, entfernen Sie den Kolben aus dem Rotationsverdampfer, fügen Sie mehr Ethanol hinzu (etwa ein Drittel des Gesamtvolumens) und schließen Sie den Kolben wieder an den Rotationsverdampfer an. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis das Lösungsgemisch deutlich abnimmt und keine Blasen bildet.
    9. Trocknen Sie das weiße Pulver direkt, indem Sie den Kolben an ein Hochvakuum anschließen. Je trockener das Pulver, desto weniger anorganische Salze kriechen in die nachfolgenden Schritte.
      HINWEIS: Wärme kann zum Trocknen des Produkts verwendet werden, z. B. indem der Kolben in einem 60 °C-Bad unter Vakuum gehalten und über Nacht verlassen wird.
    10. Das weiße Pulver in 400 ml Methanol in einem Kolben aufhängen. Sonicate, um die maximale Menge des Produkts aufzulösen.
      HINWEIS: Das Ziel dieses Schritts ist es, das Produkt aufzulösen, aber nicht die anorganischen Nebenprodukte, wie überschüssiges Natriumsulfit und Natriumbromid, die eine begrenzte Löslichkeit in Methanol haben. Verwenden Sie Methanol mit dem niedrigsten Wassergehalt möglich, weil Wasser im Methanol die Löslichkeit der anorganischen Nebenprodukte im Lösungsmittel erhöht.
    11. Um die Löslichkeit des Produkts zu erhöhen, kann Methanol sanft in der Nähe seines Siedepunkts erhitzt werden (ca. 64 °C).
      VORSICHT: Achten Sie darauf, während der Erwärmung des Kolbens unter einer Dunstabzugshaube zu arbeiten. Die Dämpfe des verdampften Methanols sind gefährlich.
    12. Filtern Sie die Lösung, um die methanolunlöslichen anorganischen Nebenprodukte zu entfernen. Verwenden Sie einen Filterkolben, der mit einer Vakuumpumpe verbunden ist, und einen Filtertrichter mit quantitativem Filterpapier oder einen Borosilikatfilter. Sowohl das Produkt als auch die anorganischen Salze sind weiße Pulver, wenn sie trocken sind: Das Produkt ist in Methanol löslich, die Salze nicht.
    13. Übertragen Sie die gefilterte Lösung aus dem Filterkolben in einen 1 L Rundbodenkolben.
    14. Den Kolben an einen Rotationsverdampfer anschließen und die methanolische Lösung bei 45 °C verdampfen, das weiße Pulver in Methanol wieder auflösen und die Lösung filtern (Protokollschritte 1.1.7, 1.1.8 und 1.1.9). Wiederholen Sie diesen Vorgang mindestens 2x, um die Menge an anorganischem Salz zu verringern.
    15. Sammeln Sie das weiße, methanollösliche Pulver (ca. 30 g, in dieser Skala).
    16. Lösen Sie ca. 10 mg Produkt in500 l D2 O auf und übertragen Sie die Lösung in ein NMR-Rohr.
    17. Führen Sie 1H NMR-Spektrometrie auf dem Produkt in D2O bei 400 MHz mit 32 Scans durch.
      HINWEIS: Die Spitzenzuweisungen für 1H NMR (D2O) sind 5,97 (m, 1H), 5,09 (m, 2H), 2,95 (t, 2H), 2,10 (m, 2H), 1,77 (q, 2H), 1,44 (br s, 12H).
  2. Natrium 11-Acetylthio-undecanesulfonat
    1. Die ca. 30 g Natrium-Undec-10-Enesulfonat (das Reaktionsprodukt des Abschnitts 1.1) in 500 ml Methanol in einem 1 L Rundbodenkolben auflösen. Fügen Sie der Lösung einen 2,6-fachen Überschuss thioessigsäure hinzu und rühren Sie sie über Nacht vor einer UV-Lampe (250 W). Falls eine UV-Lampe nicht verfügbar ist, kann die Reaktion durch Rückfluss mit einem radikalen Initiator, wie Azobisisobutyronitril (AIBN); die Verwendung einer UV-Lampe wird jedoch dringend empfohlen.
      VORSICHT: Achten Sie darauf, jederzeit unter der Dunstabzugshaube zu arbeiten. Wenn der Kolben in einen anderen Raum transportiert werden muss, wo sich die UV-Lampe befindet, versiegeln Sie den Kolben, um zu vermeiden, dass der starke Geruch von Thioessigsäure verbreitet wird. Beim Betrieb einer UV-Lampe Vorsicht walten lassen: Blockieren Sie den Raum, in dem sich die Lampe befindet, vollständig und beachten Sie die Sicherheitsrichtlinien der Einrichtung, wie eine UV-Lampe betrieben werden soll.
    2. Überwachen Sie die Reaktion, indem Sie 2 ml Aliquots aus der Reaktion nehmen, Lösungsmittel verdampfen und deuteriertes Wasser hinzufügen, um sie mit 1H NMR zu überprüfen. Sobald die Spitzen, die der Doppelbindung entsprechen, verschwinden, stoppen Sie die Reaktion.
      HINWEIS: Normalerweise ist die Reaktion nach 12 h vor der UV-Lampe abgeschlossen. Wenn das Reaktionsgemisch trüb wird, fügen Sie mehr MeOH hinzu und setzen Sie die Exposition gegenüber dem UV-Licht für sechs weitere Stunden fort.
    3. Verdampfen Sie ganz MeOH in einem Rotationsverdampfer, bis der feste Rückstand orangerot wird. Wenn lange genug gelassen, wird das Produkt braun bis schwarz.
      VORSICHT: Arbeiten Sie achtsam wegen der starken Gerüche aus der Thioessigsäure. Die starken Gerüche von Thiolate-Verschüttungen können mit einer wässrigen Bleichlösung (Natriumhypochlorit) neutralisiert werden.
    4. Waschen Sie das Produkt mit einem Filterkolben mit Demethylether, um überschüssige Thioessigsäure zu entfernen, bis keine farbigen (orange-gelben) Substanzen mehr im Überstand des Diethylethers vorkommen. Trocknen Sie den Feststoff unter Hohem Vakuum und lösen Sie ihn dann in Methanol auf, wodurch eine gelbe bis orange Lösung entsproben wird.
      HINWEIS: Fügen Sie genügend Methanol hinzu, um das Produkt aufzulösen.
      HINWEIS: Die Farbe kann in diesem Schritt variieren.
    5. Fügen Sie der Lösung 3 g Ruß hinzu, mischen Sie das Gemisch kräftig und filtern Sie das Gemisch durch Filtrationsmedium (siehe Materialtabelle),das zwei Drittel eines geriffelten Filterpapiers abdeckt.
      HINWEIS: Die poröse Struktur von Ruß fängt das farbige Nebenproduktmaterial (und einen Teil des Produkts) ab. Die gefilterte Lösung sollte klar sein. Wenn die gefilterte Lösung noch gelb ist, wiederholen Sie diesen Vorgang.
    6. Verdampfen Sie das Lösungsmittel vollständig in einem Rotationsverdampfer und sammeln Sie ca. 35 g weißes Pulver.
    7. Lösen Sie 10 mg des Produkts in 500 lD2O auf und übertragen Sie die Lösung in NMR-Röhren.
    8. Führen Sie 1H NMR auf dem Produkt in D2O bei 400 MHz mit 32 Scans.
      HINWEIS: Die Spitzenzuweisungen für den H NMR (D2O) sind 2,93 (t, 4H), 2,40 (s, 3H), 1,77 (m, 2H), 1,62 (m, 2H), 1,45 (br s, 14H).
  3. 11-mercapto-1-undecanesulfonat (MUS)
    1. Reflux-Natrium 11-Acetylthio-undecanesulfonat bei 102 °C in 400 ml von 1 M HCl für 12 h, um die Thioacetat-Gruppe zu spalten und ein Thiol zu erhalten.
    2. Übertragen Sie das Produkt in einen 1,5 L oder 2 L Rundbodenkolben. Fügen Sie 200 ml 1 M NaOH zur hinzu und krumme sie mit 400 ml DI-Wasser, um ein Endvolumen von 1 L zu haben. Dies hält die Lösung sauer und verhindert die Kristallisation von anorganischen Salzen als Nebenprodukt.
      HINWEIS: Eine vollständige Neutralisation der Lösung zu pH 7 führt zur Kristallisation eines in Methanol unlöslichen Produkts.
    3. Halten Sie die klare Lösung bei 4 °C und kristallisiert sie über Nacht. Das Produkt kristallisiert als feine Kristalle, die bei Nässe zähflüssig sind.
      HINWEIS: Um die Kristallisation zu beschleunigen, fügen Sie der Lösung vorsynthetisierte MUS hinzu, sofern verfügbar.
    4. Decant den klaren Überstand und Zentrifuge nach unten das viskose weiße Produkt in 50 ml Zentrifugenröhren für 5 min bei 4.000 x g.
    5. Den Überstand in einen anderen Kolben dekantieren und die weißen Pellets unter Hochvakuum trocknen – je nach verfügbarer Zentrifuge können es 2 - 16 Röhren oder mehr sein.
      HINWEIS: Die Filterung wird aufgrund der Tensidnatur des Produkts nicht empfohlen; übermäßige Säuerung auftritt und der größte Teil des Produkts geht verloren.
    6. Sammeln Sie ca. 12 g (ca. 30% Ausbeute) Methanol-löslichen MUS aus diesem Reinigungsschritt.
      HINWEIS: Achten Sie darauf, dass das Pulver fein und elektrostatisch ist – es neigt dazu, an Spachteln und den Oberflächen von Behältern zu kleben. Außerdem kann mehr Material aus dem Überstand des Zentrifugationsschritts extrahiert werden, indem das Volumen (auf etwa ein Drittel seines ursprünglichen Wertes) reduziert und bei 4 °C gehalten wird. Verringern Sie das Volumen noch mehr (um 75%) , um den Ertrag in diesem Schritt zu erhöhen.
    7. Lösen Sie 10 mg des Produkts in 500 lD2O auf und übertragen Sie die Lösung in NMR-Röhren.
    8. Führen Sie 1H NMR auf dem Produkt in D2O bei 400 MHz mit 32 Scans.
      HINWEIS: Die Spitzenzuweisungen von H NMR (D2O) sind 2,93 (t, 4H), 2,59 (t, 3H), 1,78 (m, 2H), 1,65 (m, 2H), 1,44 (br s, 14H). Die berechnete Molmasse (einschließlich der Natriumzähler) des Produkts beträgt 290,42 g/mol.

2. Nanopartikelsynthese: Herstellung der Reagenzien

  1. Reinigen Sie alle Glaswaren (ein 250 ml und ein 500 ml Einhals-Rundkolben, einen 100 ml Zusatztrichter und einen kleinen Trichter) mit frischer Aqua-Regia (drei Teile Salzsäure zu einem Teil Salpetersäure). Spülen Sie die Glaswaren mit einer überschüssigen Menge an Wasser in einer Dunstabzugshaube und entfernen Sie alle Dämpfe. Anschließend das Glas mit Ethanol abspülen und in einem Laborglasofen trocknen (40 - 60 °C wird empfohlen).
  2. Wiegen Sie 177,2 mg (0,45 mmol) Gold (III) Chloridtrihydrat (HAuCl4-3H2O) in einer kleinen Glasdurchstechflasche (10 oder 20 ml saubere Glasfläschchen oder auf Wägepapier).
  3. Wiegen Sie 87 mg (0,3 mmol) MUS in einer Glasdurchstechflasche mit 20 ml.
  4. Fügen Sie 10 ml Methanol hinzu, um das MUS aufzulösen. Beschallen Sie es in einem Ultraschallbad, bis kein festes Material sichtbar ist, um eine vollständige Auflösung zu gewährleisten.
    HINWEIS: Alternativ können Sie die Lösung mit einer Wärmepistole oder einem warmen Bad (ca. 60 °C) sanft erhitzen. Wenn erhitzt, laufen kaltes Wasser durch die Außenseite des Kolbens, um es wieder auf Raumtemperatur zu bringen.
  5. Fügen Sie der Methanollösung 26 l (0,15 mmol) OT hinzu und rühren Sie sie, um die Liganden zu mischen.
  6. Wiegen Sie 500 mg (13 mmol) Natriumborohydrid (NaBH4) und fügen Sie es 100 ml Ethanol in den 250 ml Rundbodenkolben. Mit magnetischem Rühren (600 - 800 Umdrehungen von Euro) kräftig umrühren. (Der NaBH4 benötigt je nach Qualität 10 bis 20 min, um eine klare Lösung in Ethanol zu bilden.)

3. Synthese von Gold-Nanopartikeln

  1. Goldsalz in 100 ml Ethanol im 500 ml Rundbodenkolben auflösen und bei 800 U/min mit einem Magnetbalken auf einer Rührplatte rühren. Stellen Sie sicher, dass sich das Goldsalz vollständig auflöst.
  2. Legen Sie einen 100 ml-Zusatztrichter über den Rundkolben. Legen Sie einen Trichter auf die Oberseite des Zusatztrichters mit einem quantitativen Papierfilter im Inneren. Wenn der NaBH4 in Ethanol gelöst ist, beginnen Sie, die Lösung durch das Filterpapier im Trichter in den Zusatztrichter zu filtern.
  3. Fügen Sie die Ligandenlösung in das Reaktionsgemisch. Warten Sie 15 min auf die Bildung eines Goldthololat-Komplexes. Die Farbänderung des Reaktionsgemisches von transluzentem Gelb zu trübem Gelb deutet auf die Bildung eines Goldthololatkomplexes hin.
  4. Beginnen Sie mit dem Hinzufügen der gefilterten NaBH 4-Lösung aus dem Zusatztrichter tropfenweise. Passen Sie die Intervallzeit der Tropfen so an, dass die Zugabe von NaBH4 etwa 1 h dauert.
  5. Entfernen Sie nach der vollständigen Ergänzung von NaBH4den Trichter. Rühren Sie die Reaktion noch eine Stunde lang. Entfernen Sie am Ende der Reaktion den magnetischen Rührstab mit einem Magneten, der an der Außenseite des Kolbens platziert ist.
  6. Verwenden Sie ein Septum, um den Kolben zu schließen und eine Nadel in das Septum zu durchbohren, um das H2-Gas freizusetzen, das sich nach der Reaktion entwickeln wird.
  7. Bewahren Sie das Reaktionsgemisch in einem Laborkühlschrank (4 °C) auf, um die Nanopartikel über Nacht auszufällen.

4. Aufbau der Synthese

  1. Dekant das überstandes Ethanol, um das Volumen zu reduzieren.
  2. Den restlichen Niederschlag auf 50 ml Zentrifugenrohre und Zentrifuge für 3 min bei 4.000 x gübertragen.
  3. Den Überstand dekantieren, die Nanopartikel durch Wirbel wieder mit Ethanol dispergieren und wieder zentrifugieren. Wiederholen Sie diesen Waschvorgang 4x.
  4. Trocknen Sie die Nanopartikel unter Vakuum, um das Restethanol zu entfernen.
  5. Um die Nanopartikel von freien hydrophilen Liganden/Molekülen zu reinigen, lösen Sie die Ausscheidungen in 15 ml DI-Wasser auf und übertragen Sie sie in die Zentrifugenrohre mit einer Filtrationsmembran von 30 kDa Cutoff-Molekulargewicht. Dialyse ist auch für dieses Verfahren zugänglich.
  6. Zentrifugieren Sie diese Rohre für 5 min bei 4.000 x g, um die Nanopartikellösung zu konzentrieren.
  7. Fügen Sie 15 ml DI-Wasser in diese Lösung und Zentrifuge wieder zu konzentrieren. Wiederholen Sie diesen Reinigungsvorgang mindestens 10x.
    HINWEIS: Ein Hinweis darauf, dass die wasserlöslichen Verunreinigungen entfernt wurden, ist das Fehlen von Schaumbildung beim Aufsetzen des wässrigen Abfalls; schließlich sind die meisten Verunreinigungen Disulfide von MUS mit sich selbst oder mit OT (dies kann durch Dassammeln des Materials und Durchführung von 1H NMR bestimmt werden).
  8. Nach der Zentrifugation die konzentrierten Nanopartikel in ein 15 ml Zentrifugenrohr übertragen. Um die Nanopartikel in ein überschaubares Pulver zu verwandeln, fällen Sie sie entweder in einem Lösungsmittel wie Aceton oder trocknen Sie die verbleibende wässrige Lösung. Beim Gefrieren neigen die Nanopartikel dazu, ein loses Pulver zu bilden, das an Oberflächen klebt und schwer zu manipulieren ist.

5. Charakterisierung der Nanopartikel

  1. reinheit
    1. Um zu überprüfen, ob die Nanopartikel frei von ungebundenen Liganden sind, lösenSie 5 mg trockene Nanopartikel in 600 l D2 O auf und führen Sie eine 1H NMR-Messung der Partikel durch. Wenn es keine scharfen Spitzen der Liganden gibt, bedeutet dies, dass die Nanopartikel frei von kleinen organischen Molekülen sind.
  2. Ligand-Verhältnis
    1. Bereiten Sie eine 20 mg/ml Methanol-d 4-Lösung jod vor. Fügen Sie 600 l dieser Lösung zu den 5 mg Nanopartikeln in einer Glasdurchstechflasche hinzu, um die Nanopartikel zu ätzen.
    2. Die Kappe der Durchstechflasche mit Paraffinfolie umwickeln und in einem Ultraschallbad 20 min beschallen. Übertragen Sie die Lösung auf ein NMR-Rohr und erfassen Sie ein 1H NMR (400 MHz) Spektrum mit 32 Scans.
  3. Liganddichte
    1. 2 bis 8 mg Nanopartikel auf einen TGA Tiegel übertragen. Wählen Sie einen Temperaturbereich von 30 °C bis 900 °C und eine Geschwindigkeit von 5 °C pro Minute unter N2 Gas.
  4. Größenverteilung
    1. Tem
      1. 0,1 mg/ml Nanopartikellösung in DI-Wasser vorbereiten. Lassen Sie 5 l der vorbereiteten Lösung auf das 400-Mesh-Kohlenstoff-gestützte Kupfergitter fallen. Warten Sie, bis es trocknet.
      2. Übertragen Sie das Gitter in einem TEM-Halter und legen Sie es in das Mikroskop ein. Erfassen Sie 5 - 10 Bilder mit einer Vergrößerung von mindestens 64.000X, die bei 200 kV betrieben werden.
        ANMERKUNG: Um den Kontrast zu erhöhen, kann eine objektive Blende von 20 nm eingefügt werden.
    2. UV-Vis-Spektren
      1. Bereiten Sie eine 0,2 mg/ml Nanopartikellösung in DI-Wasser vor.
      2. Legen Sie die benötigte Menge dieser Lösung in die Quarzküvette und scannen Sie von 200 nm bis 700 nm.

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Ergebnisse

Die Reaktionsschritte zur Synthese von MUS sind in Abbildung 1dargestellt. Die 1H NMR-Spektren des Produkts jedes Schritts sind in Abbildung 2dargestellt. Der Synthese-Workflow der binären MUS:OT-amphiphilen Gold-Nanopartikel ist in Abbildung 3beschrieben. Nach der Synthese bestand die Aufarbeitung der Nanopartikel darin, die Partikel mehrmals mit Ethanol und DI-Wasser zu waschen. Vor jede...

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Diskussion

Dieses Protokoll beschreibt zunächst die Synthese von MUS-Ligand und dann die Synthese und Charakterisierung von amphiphilen MUS:OT-Gold-Nanopartikeln. Die Synthese von MUS mit minimalem Salzgehalt ermöglicht eine bessere Zuverlässigkeit des stoichiometrischen Verhältnisses zwischen den Liganden während der Nanopartikelsynthese, die ein Schlüsselfaktor für die reproduzierbare Synthese von MUS:OT-Nanopartikeln mit einem Ziel hydrophoben ist. Inhalt (Abbildung 8). Die Verwendung von Methanol a...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Danksagungen

Z.P.G. und F.S. danken dem Schweizerischen Nationalfonds und insbesondere NCCR 'Molecular Systems Engineering'. Z.L. und F.S. danken der Unterstützung des Stipendiums der Abteilung II des Schweizerischen Nationalfonds. Alle Autoren danken Quy Ong für fruchtbare Diskussionen und für das Korrekturlesen des Manuskripts.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
11-Brom-1-undecenSigma Aldrich467642-25 ml
NatriumsulfitSigma AldrichS0505-250 g
Benzyltriethyl-AmmoniumbromidSigma Aldrich147125-25 g
MethanolVWRBDH1135-2,5 LP
DI WasserMilliporeZRXQ003WWdeionisiertes Wasser
1 L rund BodenkolbenDURAN24 170 56
DiethyletherSigma Aldrich1.00930 EMD Millipore
RührstabSigma AldrichZ329207,Dow
Corning High Vacuum GreaseSigma AldrichZ273554 ALDRICH
FilterkolbenDURAN20 201 63
Filtrierender Buchner TrichterFisherSci
Ethanol >99,8%, ACS, ReagenzVWR2081.321DP
DeuteriumdioxidSigma Aldrich151882 ALDRICH
Thioessigsäure 96%Sigma AldrichT30805 ALDRICH
RußSigma Aldrich05105-1KG
CeliteSigma AldrichD3877 SIGMA-ALDRICHFiltermedium
KondensatorSigma AldrichZ531154
Salzsäure, ACS Reagenz 37%Sigma Aldrich320331 SIGMA-ALDRICH
Natriumhydroxid, BioXtra, Pellets (wasserfrei)Sigma AldrichS8045 SIGMA-ALDRICH
ZentrifugenröhrchenVWR525-0155P
250 mL RundkolbenDURAN24 170 37
500 mL RundkolbenDURAN24 170 46
Salpetersäure, fACS Reagenz 70%Sigma Aldrich438073 SIGMA-ALDRICH
Gold(III)-chlorid-Trihydrat >99,9% SpurenmetallbasisSigma Aldrich520918 ALDRICH
1-Oktanthiol >98,5Sigma Aldrich471836 ALDRICH
Natriumborhydrid purum p.a.>96%Sigma Aldrich71320 ALDRICH
AdditionstrichterSIgma AldrichZ330655 SIGMA
TrichterDURAN21 351 46
2V gefaltetes FilterpapierWhatman1202-150
Amicon FilterMerckUFC903024
Jod, ACS Reagenz, >99,8%, festSigma Aldrich207772 SIGMA-ALDRICH
5 mm NMR-Röhren, Typ 5HP (hohe Präzision)Armar32210.503Länge 178 mm
Methanol-d4 99,8 atom%DArmar16400.2035
TGA TiegelThepro9095-9270.45
400 Mesh kohlenstoffgestütztes KupfergitterElektronenmikroskopie WissenschaftCF400-Cu
QuarzküvetteHellma Analytics100-1-40
11707335% kg

Referenzen

  1. Verma, A., et al. Effect of surface properties on nanoparticle-cell interactions. Small. 6 (1), 12-21 (2010).
  2. Yeh, Y. -C., et al. Gold nanoparticles: preparation, properties, and applications in bionanotechnology. Nanoscale. 4 (6), 1871-1880 (2012).
  3. Mirza, A. Z. A novel drug delivery system of gold nanorods with doxorubicin and study of drug release by single molecule spectroscopy. Journal of Drug Targeting. 23 (1), 52-58 (2015).
  4. Mirza, A. Z., et al. Fabrication and characterization of doxorubicin functionalized PSS coated gold nanorod. Arabian Journal of Chemistry. , In Press (2014).
  5. Nel, A. E., et al. Understanding biophysicochemical interactions at the nano-bio interface. Nature Materials. 8 (7), 543-557 (2009).
  6. Yeo, E. L. L., et al. Protein Corona around Gold Nanorods as a Drug Carrier for Multimodal Cancer Therapy. ACS Biomaterials Science and Engineering. 3 (6), 1039-1050 (2017).
  7. Lin, J., et al. Cell membranes open "doors" for cationic nanoparticles/ biomolecules: Insights into uptake kinetics. ACS Nano. 7 (12), 10799-10808 (2013).
  8. Saha, K., et al. Regulation of Macrophage Recognition through the Interplay of Nanoparticle Surface Functionality and Protein Corona. ACS Nano. 10 (4), 4421-4430 (2016).
  9. Moyano, D. F., et al. Fabrication of corona-free nanoparticles with tunable hydrophobicity. ACS Nano. 8 (7), 6748-6755 (2014).
  10. Pengo, P., et al. Gold nanoparticles with patterned surface monolayers for nanomedicine: current perspectives. European Biophysics Journal. 46 (8), 749-771 (2017).
  11. Kuna, J. J., et al. The effect of nanometre-scale structure on interfacial energy. Nature Materials. 8 (10), 837-842 (2009).
  12. Verma, A., et al. Surface-structure-regulated cell-membrane penetration by monolayer-protected nanoparticles. Nature Materials. 7 (7), 588-595 (2008).
  13. Van Lehn, R. C., et al. Lipid tail protrusions mediate the insertion of nanoparticles into model cell membranes. Nature Communications. 5, 4482-4493 (2014).
  14. Cagno, V., et al. Broad-spectrum non-toxic antiviral nanoparticles with a virucidal inhibition mechanism. Nature Materials. 17 (2), 195-203 (2018).
  15. Uzun, O., et al. Water-soluble amphiphilic gold nanoparticles with structured ligand shells. Chemical Communications. 2 (2), 196-198 (2008).
  16. Huang, R., et al. Colloidal stability of self-assembled monolayer-coated gold nanoparticles: The effects of surface compositional and structural heterogeneity. Langmuir. 29 (37), 11560-11566 (2013).
  17. Carney, R. P., et al. Electrical method to quantify nanoparticle interaction with lipid bilayers. ACS Nano. 7 (2), 932-942 (2013).
  18. Van Lehn, R. C., et al. Effect of particle diameter and surface composition on the spontaneous fusion of monolayer-protected gold nanoparticles with lipid bilayers. Nano Letters. 13 (9), 4060-4067 (2013).
  19. Huang, R., et al. Effects of surface compositional and structural heterogeneity on nanoparticle-protein interactions: Different protein configurations. ACS Nano. 8 (6), 5402-5412 (2014).
  20. Van Lehn, R. C., et al. Free energy change for insertion of charged, monolayer-protected nanoparticles into lipid bilayers. Soft Matter. 10 (4), 648-658 (2014).
  21. Ong, Q., et al. Characterization of Ligand Shell for Mixed-Ligand Coated Gold Nanoparticles. Accounts of Chemical Research. 50 (8), 1911-1919 (2017).
  22. Marbella, L. E., et al. NMR techniques for noble metal nanoparticles. Chemistry of Materials. 27 (8), 2721-2739 (2015).
  23. Templeton, A. C., et al. Reactivity of Monolayer-Protected Gold Cluster Molecules Steric Effects. Journal of American Chemical Society. 120 (8), 1906-1911 (1998).
  24. Harkness, K. M., et al. A structural mass spectrometry strategy for the relative quantitation of ligands on mixed monolayer-protected gold nanoparticles. Analytical Chemistry. 82 (22), 9268-9274 (2010).

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