Controlar el tamaño, forma y estabilidad de los polímeros supramoleculares en el agua

El objetivo general del siguiente experimento es controlar el tamaño, la forma y la estabilidad de las nanopartículas dinámicas supermoleculares en el agua. Esto se logra mediante el diseño de amplificadores dicóticos autoensamblables o polimerizantes cuya estructura molecular está recubierta para interacciones atractivas y repulsivas. Esto da como resultado un mecanismo de crecimiento frustrado que produce nanopartículas autoensambladas en agua con una forma esférica controlada.

Como segundo paso, se aumenta la concentración de sal de la solución acuosa, lo que debilita las interacciones repulsivas codificadas en la estructura molecular de los anfis disco. Esto induce una transición de esfera a bastón, dirugismo circular dependiente de la temperatura o investigaciones espectroscópicas CD o realizadas para revelar los mecanismos subyacentes de esta transición de esfera a varilla. Además, se utiliza una combinación de técnicas analíticas como la microscopía electrónica de transmisión criogénica y una resonancia magnética nuclear para medir y visualizar la transición de un tipo de agregado a otro, se obtienen resultados que muestran que la transición de esfera a varilla se expresa en una cooperativa mejorada en la polimerización supermolecular.

Esto se origina en una transición de un proceso anticooperativo en nanopartículas de tamaño restringido a un mecanismo de elongación de nucleación totalmente cooperativo que conduce a polímeros supramoleculares muy grandes, en este caso, nano varillas dinámicas. La principal ventaja de combinar técnicas espectroscópicas como la espectroscopia CD, el anillo pequeño, la dispersión de rayos X y la resonancia magnética con técnicas microscópicas como la crioterapia es que permite medir y visualizar las transiciones de polímeros supermoleculares en el agua. Estos polímeros dinámicos pueden responder a estímulos externos como cambios en la temperatura, cambios en la fuerza del OnX o cambios en el pH.

La combinación de estos métodos es ampliamente aplicable y puede ayudar a responder preguntas clave en los campos de la química molecular y los nanomateriales autoensamblados. Por ejemplo, se puede investigar la correlación entre las dimensiones de los agregados formados por el autoensamblaje de pequeños bloques de construcción moleculares y los mecanismos de formación subyacentes. Las implicaciones de esta metodología se extienden a una amplia gama de aplicaciones bio nano tecnológicas.

Hemos estado particularmente interesados en el área de imágenes biomédicas y el desarrollo de agentes de contraste de nanopartículas autoensamblados, donde un delicado equilibrio entre la estabilidad del agregado, el alto contraste y la capacidad de excretar los agentes de contraste autoensamblados es de suma importancia para su éxito en el uso clínico. Primero tuvimos la idea de combinar técnicas de caracterización cuando nos dimos cuenta de que los cambios sutiles en la estructura molecular de los bloques de construcción autoensamblables pueden conducir a diferencias fundamentales en el mecanismo de la polimerización supermolecular. El demostrador del procedimiento estará a cargo de Paul Beaumont, experto y responsable de las instalaciones de crioterapia 10 en la Universidad Técnica de Trovan.

Comience este protocolo preparando una solución de DTPA de gadolinio BTA en tampón de citrato de 100 milimolares como se describe en el protocolo escrito. Acompañando este video, llene un veterinario UV Q de un centímetro con la solución. Inserte el veterinario en el soporte qve en el espectrómetro de cuervo circular D.

Mida el espectro de un CD de 230 a 350 nanómetros. A continuación, mida una curva de enfriamiento de CD en la banda de CD de mayor intensidad de 363 a 283 kelvin a una velocidad de un kelvin por minuto. A continuación, agregue el mismo volumen de solución tamponada de cloruro de sodio molar a la solución tamponada de citrato de BTA gadolinio DTPA.

Esto aumentará la fuerza iónica a un molar de cloruro de sodio y diluirá los discos a la mitad de la concentración. Agite la solución con mayor fuerza iónica durante 40 segundos después del aumento de la fuerza iónica, vuelva a medir un espectro CD de 230 a 350 nanómetros. A continuación, mida una curva de enfriamiento de CD en la banda de CD de mayor intensidad de 363 a 283 kelvin a una velocidad de un kelvin por minuto.

Exporte los datos brutos del CD al origen 8.5. Normalice los espectros definiendo el efecto CD a la temperatura medida más alta como igual a cero, y el efecto CD a la temperatura medida más baja como igual a uno, ya que la magnitud del efecto CD es proporcional al grado de agregación, las curvas CD normalizadas son proporcionales al grado de agregación. Los datos normalizados se ajustan utilizando una opción de ajuste de curva no lineal en el origen Pro 8.5 con un modelo de autoensamblaje dependiente de la temperatura.

En este modelo, se distingue un régimen de nucleación y otro de elongación. En primer lugar, ajuste el grado de agregación en el régimen de elongación. En esta ecuación, T representa la temperatura variable.

PHI N es la helicidad neta, que es proporcional al grado de agregación, y HE es la entalpía molecular de la elongación. T TE representa la temperatura de elongación, que es la temperatura a la que el autoensamblaje comienza a ser termodinámicamente favorable. El factor de normalización fiat se introduce para garantizar que Phi N sobre fiat no exceda la unidad, lo que se deriva de la restricción de que el grado de agregación no puede exceder.

El ajuste unitario permite extraer la entalpía de elongación en joyas por mol y la temperatura de elongación en Kelvin que caracteriza el autoensamblaje de las moléculas para una concentración dada. Al ajustar obedece la restricción de que solo se debe ajustar el grado de agregación a temperaturas inferiores a TE, ya que la ecuación solo es válida en el régimen de elongación después de ajustar la primera ecuación, el único parámetro desconocido en la ecuación del régimen de nucleación es la constante de activación ka, que describe la cooperación de la polimerización supramolecular. Para encontrar el ajuste de la constante de activación, se encontró experimentalmente el grado de agregación para temperaturas por encima de TE en el régimen de nucleación.

Comience por preparar soluciones para microscopía electrónica como se describe en el texto. Prepare brevemente dos tampones, un tampón de citrato de 100 milimolares y un tampón de citrato de 100 milimolares con disolución de cloruro de sodio de cinco molares, BTA gadolinio DTPA en 0,1 mililitros de cada uno de los tampones preparados para lograr una concentración deco de un milimolar. A continuación, trate con plasma una rejilla recubierta de carbono con un coer de carbono C Resington 2 0 8 que funcione a cinco miliamperios durante 40 segundos.

El procedimiento de vitrificación es un paso crucial de la crioterapia, ya que garantiza que una fina capa de ISIS brillante producida sea adecuada para el análisis TAM. La solución acuosa se aplica en la rejilla durante la vitrificación en un robot vitro FEI automatizado. Esto implica la aplicación de la muestra en la rejilla, la transferencia del exceso de líquido para crear una película delgada de la solución acuosa en la rejilla y la posterior vitrificación sumergiendo la rejilla muy rápidamente en etano líquido.

Después de la vitrificación, transfiera la rejilla tratada a nitrógeno líquido para preservarla, luego transfiera manualmente la rejilla de muestra a un casete de cargador automático, que también se enfría con nitrógeno líquido. El siguiente paso es insertar el casete en el TUE cryo Titan, TEM auto Loader. El TUE Cryo Titan está equipado con un cañón de emisión de campo que funciona a 300 kilovoltios.

La grabación de las imágenes TAM requiere experiencia y un manejo rápido. Esto se debe a que el haz de electrones de alta energía daña la muestra durante la obtención de imágenes Grabe imágenes utilizando una cámara CCD equipada con un filtro de energía gatin de columna posterior. Dado que el gadolinio es altamente paramagnético y, por lo tanto, las señales de protones se ampliarían significativamente, se utilizó un disco diferente donde el gadolinio se sustituyó con itrio diamagnético y una solución de atrio BT.

Se prepara el DTPA. Calcule cuántos miligramos de DTPA de aurícula BT a un peso molecular de 2.979 gramos por mol son necesarios para alcanzar una concentración objetivo de un milimolar. Proceda a disolver la cantidad determinada de DTPA de atrio BT en tampón de succinato disminuido de 50 milimolares en D dos O después de pipetear 0,6 mililitros de la solución resultante en un wilm, un tubo de RMN de LABAs.

Inserte la muestra en una unidad de variante en el espectrómetro Nova 500 equipado con una sonda I-D-P-F-G de cinco milímetros de Varian. Realice los experimentos DOI como se discute en el texto después de registrar una RMN de protones estándar, adaptando el pulso de 90 grados y optimizando los tiempos de mezcla en consecuencia. Se utiliza la secuencia de pulsos DOI de un disparo después de determinar la autodifusión de HDO en la sonda de referencia ovárica, y en la muestra se determina el coeficiente de difusión de los agregados a partir del cual se puede calcular el radio hidrodinámico.

Por último, se calculan los radios hidrodinámicos HR de los agregados utilizando la relación de Stokes Einstein para la difusión de una partícula esférica. El carácter iónico de los complejos DTPA de gadolinio periférico introduce frustración en el crecimiento unidimensional de los monómeros disco, cuyo núcleo está diseñado para polimerizarse en agregados alargados como varillas. El equilibrio entre las interacciones atractivas y repulsivas controla el tamaño y la forma de los agregados.

Una técnica poderosa para determinar el tamaño y la forma de las partículas y la solución es la fuente de sincrotrón. Dispersión de rayos X de ángulo pequeño o succiones. El DTPA de gadolinio BTA se disolvió en una solución tampón de citrato y los perfiles de succión se registraron a dos concentraciones diferentes.

Una pendiente cercana a cero en la región Q baja indica una falta de forma e isotropía en el agregado, lo que sugiere la presencia de objetos esféricos. Los datos medidos a diferentes concentraciones se ajustaron utilizando un factor de forma esférico monodisperso homogéneo, lo que dio lugar a un radio calculado de 3,2 nanómetros. El radio geométrico calculado del disco monomérico, BTA gadolinio DTPA es de 3,0 nanómetros, que la presencia de er agrega con una relación de aspecto cercana a uno para proporcionar más evidencia de la forma esférica y el tamaño nanométrico de los objetos autoensamblados.

Se realizó espectroscopía de RMN ordenada por difusión de protones. La RMN DOI permite determinar los coeficientes de difusión de los agregados supermoleculares a partir de los cuales se puede calcular su radio hidrodinámico. Se determinó que el coeficiente de difusión de la amplificación dicótica diamagnética agregada en un tampón de succinato deuterado era de 0,69 veces 10 elevado a menos 10 metros cuadrados por segundo a través de la relación de Stokes de Einstein.

Se calculó un radio hidrodinámico de 2,9 nanómetros para los objetos discretos de tamaño esférico. Este tamaño concuerda perfectamente con el valor obtenido de los datos SOX para el DTPA de gadolinio BTA. Se obtuvieron más pruebas de un control exitoso sobre la longitud de la pila unidimensional a partir de micrografías crio-TEM.

El DTPA de gadolinio BTA produce los objetos esféricos esperados con diámetros cercanos a los seis nanómetros a una concentración de un milimolar, lo que confirma los resultados de las mediciones de SOI y DOI. La formación de varillas de alta relación de aspecto, como los polímeros supramoleculares, se observa claramente en las criomicrografías de alta fuerza iónica. El apantallamiento electrostático es la explicación más probable para este hallazgo.

La forma cambia de un agregado esférico de alrededor de seis nanómetros de diámetro a varillas alargadas con un diámetro de seis nanómetros y una longitud de hasta varios cientos de nanómetros. Aquí se muestran los espectros CD a temperatura ambiente de BTA Gadolinio DTPA con una concentración de sal creciente. La concentración de DTPA de gadolinio BTA es ocho veces 10 a la potencia menos tres milimolares a baja fuerza iónica y cuatro veces 10 a la potencia menos tres milimolares a alta fuerza iónica.

Aunque se aplica una concentración significativamente más baja para las mediciones de CD, el efecto de algodón claro indica la presencia de agregados intactos incluso a concentraciones micromolares. La forma del espectro de CD cambia al aumentar la concentración de sal, lo que es una buena indicación de la reducción de las interacciones repulsivas en la periferia de las pilas y un mejor empaquetamiento de las decos. Además, las curvas de enfriamiento de CD de las mismas soluciones muestran claras diferencias en la forma.

La temperatura a la que comienza la agregación cambia a temperaturas más altas con una mayor concentración de sal. También se hace evidente un mecanismo cada vez más cooperativo, caracterizado por un aumento más abrupto en el efecto CD, mientras que la curva de enfriamiento a cloruro de sodio molar cero se describe mejor mediante un modelo de autoensamblaje ISO smic indicativo de un proceso anticooperativo. La curva de enfriamiento a cloruro de sodio 1.0 molar es típica para un proceso de autoensamblaje cooperativo y se puede describir mediante un modelo de elongación de nucleación que cuantifica los parámetros termodinámicos del autoensamblaje de BTA gadolinio DTPA a cloruro de sodio cero y molar.

El uso de un modelo cooperativo revela claramente la disminución de ka, que es la activación adimensional. Constante. Los valores más bajos de KA indican un mayor grado de cooperación en el proceso de autoensamblaje, que se expresa en la formación de polímeros supramoleculares altamente alargados. Al intentar las técnicas experimentales demostradas, es importante recordar que solo una combinación de métodos experimentales conducirá a una descripción general significativa de los nanomateriales dinámicos bajo investigación.

Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cuán ampliamente aplicable es nuestro enfoque experimental combinado y cómo puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de los nanomateriales autoensamblados y los superpoemas.