Artículo de método

Fabricación de nanocristales micelar esférica y en forma de gusano combinando Electrospray, uno mismo-Asamblea y Control de la estructura de base solvente

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DOI:

10.3791/56657

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11 de febrero de 2018

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1Department of Biomedical Engineering, College of Engineering and Applied Sciences, Nanjing University, 2Institute of Materials Engineering, College of Engineering and Applied Sciences, Nanjing University, 3Collaborative Innovation Center of Chemistry for Life Sciences, Nanjing University, 4Department of Chemistry, Western Washington University

En este artículo

Resumen

El presente trabajo describe un método para fabricar nanocristales micelar, una clase emergente importante de nanobiomaterials. Este método combina electrospray de arriba hacia abajo, de abajo hacia arriba uno mismo-Asamblea y el control de la estructura de base de solvente. El método de fabricación es en gran medida continuo, puede producir productos de alta calidad y posee un medio barato de control de la estructura.

Resumen

Nanocristales micelares (micelas con nanocristales encapsulado) se han convertido en una clase emergente importante de nanobiomaterials. Se describe un método de fabricación de nanocristales micelar basado en combinar electrospray de arriba hacia abajo, de abajo hacia arriba uno mismo-Asamblea y control estructura de base de solvente. Este método consiste en primero usar electrospray para generar gotitas líquidas ultrafinas uniforme, cada una de ellas funciona como un reactor de micro en el que uno mismo-Asamblea reacción ocurre formación micelar nanocristales, con las estructuras (forma micelar y nanocristales encapsulación) controlado por el solvente orgánico utilizado. Este método es en gran parte continuo y produce productos de nanocrystal micelar de alta calidad con un enfoque de control de la estructura económica. Mediante el uso de un tetrahidrofurano disolvente orgánico miscible con agua (THF), nanocristales micelar con forma de gusano pueden ser producido por fusión inducida/facilitado por solvente micela. En comparación con el común nanocristales micelares esféricos, nanocristales micelar con forma de gusano pueden ofrecer minimizada absorción celular no específico, aumentando así el objetivo biológico. Encapsulando Co nanocristales múltiples en cada micela, pueden lograrse efectos sinérgicos o multifuncionales. Las limitaciones actuales de este método de fabricación, que será parte de la labor futura, incluyen principalmente encapsulación imperfecta en el producto de nanocrystal micelar y la naturaleza continua el proceso.

Introducción

Nanocristales como puntos cuánticos de semiconductor (QDs) y óxido de hierro superparamagnético nanopartículas (SPIONs) han demostrado gran potencial biológico de detección, la proyección de imagen, manipulación y terapia1,2, 3,4,5,6. Encapsula una o más de nanocristales en una micela ha sido un método ampliamente utilizado de nanocristales de la interfaz con entornos biológicos3,6. Los nanocristales micelares así formado (micelas con nanocristales encapsulado) se han convertido en una clase emergente de nanobiomaterials7,8,9,10. Métodos comúnmente utilizados para fabricar las micelas que encapsulan diversos materiales (por ejemplo, nanocristales, fármacos de molécula pequeña y colorantes) incluyen película hidratación, diálisis y otros7,11.

El presente trabajo describe un método de fabricación de nanocristales micelar basado en combinar electrospray de arriba hacia abajo, de abajo hacia arriba uno mismo-Asamblea y control estructural mediada por el solvente. En comparación con otros métodos de fabricación de nanocristales micelar, nuestro método ofrece varias características beneficiosas: (1) es un proceso de producción continua en gran parte. Esta característica es principalmente debido a la electrospray se utiliza en nuestro método para formar gotitas de la emulsión. Por el contrario, otros métodos usan Vortex o sonicación para formar gotitas de la emulsión, lo que estos procesos por lotes de métodos en la naturaleza12. (2) da lugar a productos con agua de alta dispersabilidad, excelente estabilidad coloidal y funciones físicas intactas de los nanocristales encapsulado. Este proceso puede a menudo dar productos con calidad superior en comparación con otros métodos de encapsulado de la micela, en gran parte porque electrospray puede formar gotas de emulsión ultrafina y uniforme. (3) las estructuras de los productos, incluyendo la forma micelar y número de nanocristales encapsulada, pueden ser controladas por el disolvente, que es mucho más barato en comparación con otras formas de control como el cambio los polímeros anfifílicos utilizados y pueden producir no sólo la forma comúnmente disponibles micela esférica pero forma micelar de gusanos por micela fusión13. El así formado en forma de gusano micelares nanocristales se encuentran ofrecer grandemente reducida absorción celular no específica a las contrapartes esféricas13. Por otra parte, vale señalar que este método requiere la instalación de un dispositivo de electrospray, que es algo más técnico exigente (aunque lejos de ser prohibitivos) que la necesidad de la instrumentación en los otros métodos.

El método de fabricación consiste en generar primero ultrafinas líquido (emulsión aceite-en-agua a menudo) las gotitas con tamaños uniformes por electrospray, seguida por evaporación del solvente orgánico, dando por resultado uno mismo-Asamblea para formar nanocristales micelar (figura 1 ). La configuración de electrospray tiene una configuración coaxial utilizando agujas concéntricas: la fase de aceite, que contiene copolímeros anfifílicos en bloque y nanocristales hidrofóbicos disueltos en disolventes orgánicos, se entrega a la aguja interna (27 G acero inoxidable tubo capilar ) con una bomba de la jeringuilla; la fase de agua, que contiene un agente tensioactivo disuelto en agua, se entrega a la aguja externa (conector de tres vías de acero inoxidable de 20 G) con una segunda bomba de jeringa. Un alto voltaje se aplica a la boquilla coaxial. Se generan gotitas ultrafinas con tamaños uniformes debido a la fuerza electrodinámica superar tensión de superficie y estrés inercial en el líquido. Cada gotita esencialmente funciona como un 'micro-reactor', en el que, al quitar el solvente orgánico por la evaporación, el autoensamblaje 'reacción' ocurre espontáneamente debido a las interacciones hidrofóbicas. Usando diferentes solventes orgánicos conduce a estructuras diferentes de nanocristales micelar: un cloroformo disolvente orgánico inmiscibles en agua conduce a la forma de micelas esféricas, mientras que un disolvente orgánico miscible con agua, THF con un tiempo de reacción largo conduce a gusano-como forma micelar junto con encapsulación mejorada nanocrystal.

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Protocolo

PRECAUCIÓN: Debido al uso de disolventes orgánicos, todas las operaciones deben realizarse en una campana de humos químicos. Debido al uso de alta tensión eléctrica, evite el contacto con el aparato cuando la alimentación está activada. Utilizar todas las prácticas de seguridad adecuadas como el uso de equipo de protección personal (gafas, guantes, bata, pantalones largos y zapatos cerrados). Consultar todas las hojas de datos seguridad material (MSDS).

1. instalación de los materiales

  1. Para preparar la solución QD, disolver 10 mg QDs hidrofóbicos (longitud de onda de máxima emisión fluorescente = 605 nm, utilizado como el modelo nanocristales aquí) en solvente orgánico de 20 mL (cloroformo para producir la forma micelas esféricas o THF para producir la forma micelar de gusanos) y vórtex durante 20 s.
  2. Para preparar la solución PS-PEG, disolver 100 mg de PS-PEG (copolímero de bloque anfifílicas, con segmento 9,5 kDA PS y kDA 18.0 PEG segmento) en solvente orgánico de 10 mL (cloroformo para producir la forma micelas esféricas o THF para producir la forma micelar de gusanos). Mezcla la solución con un vórtex para baño o 1 min (cloroformo) someter a ultrasonidos durante 2 min (THF).
  3. Mezclar 1 mL de solución QD y 1 mL de solución de PEG PS y vortex durante 1 minuto añadir la mezcla a jeringa A. La jeringa se hace de PTFE.
  4. Para preparar la solución PVA, disolver 400 mg PVA (13-23 kDa, 87-89% hidrolizado) en 10 mL de agua en un baño de agua caliente a 60 – 80 ° C durante 4-5 h. permita que la solución PVA se enfríe a temperatura ambiente antes de usar.
  5. Añadir 5 mL de solución PVA a la jeringa B. La jeringa se hace de PTFE.

2. instalación de equipos

  1. Insertar el capilar interno en el conjunto exterior del capilar y suavemente el tornillo en su posición. No apriete demasiado. La figura 2 muestra la configuración general del sistema coaxial electrospray. La aguja interna del capilar es un tubo capilar de acero inoxidable de 27 G (diámetro externo 500 μm; diámetro interior 300 μm), y la aguja externa es un conector de tres vías del acero inoxidable de 20 G (diámetro externo 1.000 μm, 500 μm de diámetro interno). La tubería de PTEE utilizada tiene un diámetro interno de 1,8 mm.
  2. Cargue la jeringa A un bomba de jeringa como se muestra en la figura 2. Conectar la jeringa al capilar de acero inoxidable interior de la boquilla coaxial de electrospray usando tubería de PTFE.
  3. Cargar jeringa B b bomba de jeringa como se muestra en la figura 2. Conectar jeringa B con el capilar de acero inoxidable exterior de la boquilla coaxial de electrospray usando tubería de PTFE.
  4. Posición de la boquilla coaxial electrospray punta de aproximadamente 0,8 cm por encima de un anillo de acero puesto a tierra (diámetro de 1,5 cm).
  5. Lugar una colección de vidrio plato aproximadamente 10 cm por debajo de la boquilla coaxial.
  6. Con la fuente de alimentación apagada, conecte el cable a tierra (cable negro en la figura 2) para el anillo de acero puesto a tierra.
  7. Con la fuente de alimentación apagada, conecte el terminal positivo (cable rojo en la figura 2) de la fuente de alimentación a la aguja interna de la boquilla coaxial usando una pinza de metal.

3. producción de nanocristales micelar

  1. Ajustar la velocidad de la bomba de jeringa A 0,6 mL por hora.
  2. Ajustar la velocidad de la jeringa de la bomba B a 1,5 mL/h.
  3. Iniciar dos bombas de la jeringuilla y esperar sus respectivos caudales a estabilizar. Formando en la boquilla a un ritmo constante de gotas indican un caudal estable. Esto ocurre generalmente dentro de 60 s después de arrancar las bombas de la jeringuilla.
    Nota: Debe haber ningunas burbujas en la tubería y forman gotitas en la boquilla coaxial electrospray.
  4. Encienda la fuente de alimentación para aplicar un alto voltaje positivo a la boquilla coaxial electrospray. Ajustar la tensión dentro del rango de 5 – 9 kV, hasta un cóncavo cono-jet (es decir, un jet convergente, comúnmente conocido como un 'cono de Taylor') se observa en la punta de la boquilla coaxial (como se muestra en el recuadro de la figura 3a).
    PRECAUCIÓN: Asegúrese de no tocar electrospray la boquilla cuando se aplica el alto voltaje. Siga las precauciones de seguridad apropiadas.
    Nota: Tensión insuficiente se traducirá en las gotitas que forman en la punta de la boquilla (como se muestra en el recuadro de la figura 3b), mientras que demasiado alto voltaje aplicado puede causar un arco eléctrico entre la boquilla y el anillo de acero puesto a tierra.
  5. Después de que se cuente con un cono de Taylor estable (figura 3a), añadir 10 mL agua en un plato de colección limpia y sustituir el plato de la colección de vidrio en la configuración. El nuevo plato recogerá el producto de nanocrystal micelar.
  6. Ejecutar el proceso de producción de nanocristales micelar durante cierto tiempo (de aproximadamente 40 minutos para producir la forma micelas esféricas o aproximadamente 90 min para producir la forma micelar de gusanos). Quite el plato de la colección de debajo de la boquilla de electrospray.
  7. Parar la bomba de jeringa A y B.
  8. Apague la fuente de alimentación de alto voltaje.
  9. Permiten el solvente orgánico se evapore (en una campana de humos) del plato colección destapado durante la noche.
    Nota: A juzgar por los resultados de la caracterización de los productos de nanocrystal micelar, evaporación durante la noche es suficiente para eliminar el solvente orgánico para obtener productos con buena calidad.
  10. Finalmente, transferir el producto de nanocrystal micelar a un tubo de centrífuga de 15 mL para caracterización (p. ej., espectroscopia fluorescente, dispersión de luz dinámica, microscopía electrónica de transmisión y análisis térmico), aplicación o almacenamiento. Almacenar el producto final nanocrystal micelar en un refrigerador a 4 ° C.
    Nota: El producto puede permanecer estable en estas condiciones de almacenamiento durante al menos un mes.

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Resultados

La figura 1 muestra un esquema que resume el control de las estructuras (forma y encapsulación) de nanocristales micelar por el solvente orgánico utilizado en el proceso de producción. Brevemente, diclorometano conduce a micelas esféricas con ninguna encapsulación de nanocristales; cloroformo conduce a micelas esféricas con un número bajo de encapsulación de nanocristales; THF conduce a micelas esféricas con un número de alta encapsulación de nanocristales en...

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Discusión

El método de fabricación de nanocristales micelar se describe en la presente obra combina descendente electrospray, de abajo hacia arriba uno mismo-Asamblea y solvente-basó la estructura de control. Un método de control de calidad eficaz y conveniente es usar el cono de Taylor en la punta de la boquilla coaxial. Esto es porque un cono bien formado de Taylor indica equilibrio (o cerca de equilibrio) entre la fuerza eléctrica y la tensión superficial, que a su vez indica la formación exitosa de micro-reactores (gotitas ult...

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Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Los autores reconocen con agradecimiento el apoyo financiero de un premio de "Talentos globales de mil jóvenes" desde el Gobierno Central Chino, un premio "Shuang Chuang" desde el Gobierno Provincial de Jiangsu, el fondo de la puesta en marcha de la Universidad de la ingeniería y aplicadas Premio de Ciencias, Universidad de Nanjing, China, desde el "Tian Di" Fundación, concesión de la prioridad académica programa Desarrollo Fondo de Jiangsu educación superior instituciones (DPPA), becado por el fondo de Ciencias naturales de la provincia Jiangsu.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Puntos cuánticos hidrofóbicosOcean NanotechQSPPuntos cuánticos hidrófobos sólidos de CdSe/ZnS. La longitud de onda máxima de emisión de fluorescencia es de 605 nm.
Poli(estireno)-b-poli(etilenglicol) (PS-PEG)Sigma-Aldrich666476-500MGEl peso molecular del segmento PS es de 9,5 kDa y el del segmento PEG es de 18,0 kDa.
Poli(alcohol vinílico) (PVA)Sigma-Aldrich363170-500GPeso molecular 13– 23 kDa, 87– 89% hidrolizado.
Tetrahidrofurano (THF)Reactivo químico Sinopharma 80124418
cloroformoReactivo químico Sinopharma40007960
Bombas de jeringaBao Ding Shen ChenSPLab01
TuboShanghei Lai XingTubo de PTFE de 2 mm de diámetro exterior y 1,8 mm de diámetro interior.
JeringasYi Ming5.CCjeringa desechable de 5 mL fabricada en PTFE.
Fuente de alimentación de alto voltajeDong WenDW SeriesFuente de alimentación de corriente continua (0– Rango de 50 kV).
Boquilla coaxial de electrosprayHunan Chang Sha Na YiConjunto de acero inoxidable. La aguja capilar interna era de calibre 27 (diámetro exterior 500 μ m; diámetro interior 300 μ m). El capilar externo era de calibre 20 (diámetro exterior 1.000 μ m; diámetro interior 500 μ m).
VortexerXi'an HEB Biotechnology Co., Ltd. ChinaMX-SMX-S con un amplio rango de velocidad de 0– 2.500 rpm, regulación continua de la velocidad, operaciones táctiles y continuas.
Anillo de aceroYiwu Wan TuAnillos con una gama de diámetros (0.8– 1,8 cm). Por ejemplo, se construyó un anillo de 1,3 cm de diámetro rizando un alambre de acero de aproximadamente 25 cm (longitud) de 0,5 mm de diámetro (calibre 24, AWG).
Plato colector de vidrioGrainger1u5084Plato de vidrio de 25 mm de altura y 120 mm de diámetro.
Tubo de centrífuga de 15 mLJiangsu Xinkang Medical Instrument Co., Ltd.X-407está hecho de polipropileno transparente (PP).
El tubo de centrífuga

Referencias

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