Article de méthode

Fabrication de nanocristaux micellaire sphériques et en forme de ver en combinant Electrospray, auto-assemblage et le contrôle de la Structure à base de solvant

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DOI :

10.3791/56657

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11 février 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

Dans cet article

Résumé

Le présent ouvrage décrit une méthode pour fabriquer des nanocristaux micellaire, une nouvelle classe majeure de nanobiomaterials. Cette méthode combine electrospray descendante, ascendante, auto-assemblage et le contrôle de la structure à base de solvant. Le procédé de fabrication est en grande partie continue, peut produire des produits de qualité et possède un moyen peu coûteux de contrôle de la structure.

Résumé

NANOCRISTAUX micellaire (micelles avec les nanocristaux encapsulés) est devenus une classe émergente majeure de nanobiomaterials. Nous décrivons une méthode de fabrication de nanocristaux micellaire basée sur combinant electrospray descendante, ascendante auto-assemblage et contrôle de la structure à base de solvant. Cette méthode implique tout d’abord utilisez electrospray pour générer des gouttelettes ultrafines uniformes, dont chacun fonctionne comme un micro-réacteur dans lequel auto-assemblage réaction produit des nanocristaux micellaires formant, avec les structures (forme de micelles et nanocristallins Encapsulation) contrôlé par le solvant organique utilisé. Cette méthode est en grande partie continue et fabrique des produits de nanocristaux micellaire haute qualité avec une approche de contrôle de structure peu coûteux. En utilisant un tétrahydrofuranne de solvant organique miscible avec l’eau (THF), en forme de ver de nanocristaux micellaire peut être produit en raison de la fusion de micelle induite par solvant/facilité. En comparaison avec les nanocristaux micellaires sphériques communs, en forme de ver micellaire nanocristaux peut offrir réduite absorption cellulaire non spécifiques, améliorant ainsi le ciblage biologique. En encapsulant des nanocristaux multiples dans chaque micelle, effets multifonctionnelles ou synergiques est possible. Les limites actuelles de cette méthode de fabrication, qui fera partie des futurs travaux, comprennent principalement encapsulation imparfaite dans le produit de nanocristaux micellaire et la nature incomplète continue du processus.

Introduction

NANOCRISTAUX tels que les boîtes quantiques de semi-conducteurs (QDs) et nanoparticules superparamagnétiques d’oxyde de fer (SPIONs) ont démontré le grand potentiel biologique détection, imagerie, manipulation et thérapie1,2, 3,4,5,6. Encapsuler des nanocristaux d’un ou plusieurs dans une micelle est une méthode largement utilisée pour des nanocristaux d’interface avec les milieux biologiques3,6. Les nanocristaux micellaires ainsi formé (micelles avec nanocristaux encapsulé) sont devenus une classe émergente de nanobiomaterials7,8,9,10. Les méthodes couramment utilisées pour fabriquer des micelles qui encapsulent des divers matériaux (p. ex., nanocristaux, médicaments à petites molécules et des colorants) incluent hydratation film, dialyse et plusieurs autres7,11.

Le présent ouvrage décrit une méthode de fabrication de nanocristaux micellaire basée sur combinant electrospray descendante, ascendante auto-assemblage et contrôle structural induite par le solvant. Par rapport aux autres méthodes de fabrication des nanocristaux micellaire, notre méthode offre plusieurs caractéristiques avantageuses : (1) il est un processus de production en grande partie continue. Cette fonction est principalement dû au fait qu’electrospray est utilisé dans notre méthode pour former des gouttelettes d’émulsion. En revanche, d’autres méthodes utilisent Vortex ou la sonication pour former des gouttelettes d’émulsion, rendant ainsi ces processus de traitement par lots des méthodes en caractère12. (2) il en résulte produits avec hautes eaux-dispersibilité, excellente stabilité colloïdale et fonctions physiques intactes des nanocristaux encapsulés. Ce processus peut souvent donner des produits avec une qualité supérieure par rapport aux autres méthodes d’encapsulation de micelle, dans une large mesure car electrospray peut former des gouttelettes d’émulsion ultrafines et uniforme. (3) les structures des produits, y compris la forme micellaire et le nombre de nanocristaux encapsulé, peuvent être contrôlés par le solvant, qui est beaucoup plus peu coûteux par rapport aux autres moyens de contrôle telles que la modification de polymères amphiphiles utilisés et peuvent produire non seulement la forme de micelles sphériques couramment disponibles mais la micelle de ver-comme forme via micelle fusion13. Les ainsi formé en forme de ver micellaires nanocristaux sont trouvent à offrir grandement réduit absorption cellulaire non spécifiques que les homologues sphérique13. En revanche, il est intéressant de souligner que cette méthode nécessite l’installation d’un dispositif electrospray, qui est un peu plus techniquement difficile (bien que loin d’être prohibitifs) que la nécessité de l’instrumentation dans d’autres méthodes.

Le procédé de fabrication implique tout d’abord générer ultrafines gouttelettes (émulsion huile dans eau souvent) avec des tailles uniformes par électronébulisation, suivie par évaporation du solvant organique résultant en auto-assemblage pour former des nanocristaux micellaire (Figure 1 ). La configuration par électronébulisation possède une configuration coaxiale à l’aide d’aiguilles concentriques : la phase huileuse, qui contient les copolymères amphiphiles et hydrophobe nanocristaux dissous dans un solvant organique, est remises à l’aiguille intérieure (27 G inox capillaire ) avec une pompe à seringue ; la phase aqueuse, qui contient un agent tensio-actif dissous dans l’eau, l’aiguille externe (connecteur de trois voies en acier inoxydable 20 G) est livrée avec une deuxième pompe de seringue. Une tension élevée est appliquée à la buse coaxiale. Des gouttelettes ultrafines avec des tailles uniformes sont générés en raison de la tension superficielle surmonter de force électrodynamique et du stress inertiel dans le liquide. Chaque gouttelette fonctionne essentiellement comme un « micro-réacteur », dans laquelle, lors du retrait du solvant organique par évaporation, l’auto-assemblage « reaction » se fait spontanément en raison des interactions hydrophobes. À l’aide de différents solvants organiques conduit à différentes structures de nanocristaux micellaire : un chloroforme de solvant organique non miscible à l’eau conduit à la forme sphérique micelle, tandis que d’un solvant organique miscible à l’eau, THF avec un long temps de réaction conduit à ver-comme forme de micelles ainsi que l’encapsulation de nanocristaux améliorée.

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Protocole

ATTENTION : En raison de l’utilisation de solvants organiques, toutes les opérations devraient se faire sous une hotte chimique. Grâce à l’utilisation d’une tension électrique, éviter le contact corporel avec l’appareil lorsque l’alimentation est activée. Utilisez toutes les pratiques de sécurité appropriées telles que l’utilisation des équipements de protection individuelle (lunettes, gants, blouse, pantalons longs et chaussures fermées). Consulter toutes les fiches signalétiques (FS).

1. installation de matériaux

  1. Pour préparer la solution QD, dissoudre 10 mg de QDs hydrophobes (longueur d’onde de crête d’émission fluorescente = 605 nm, utilisé comme les modèle nanocristaux ici) dans un solvant organique de 20 mL (chloroforme pour produire la forme micellaire sphériques ou THF pour produire la forme micellaire ver-comme) et Vortexer pendant 20 s.
  2. Pour préparer la solution PS-PEG, dissoudre 100 mg PS-PEG (des segments de copolymère à blocs amphiphiles, avec 9,5 kDA PS segment et 18,0 kDA PEG) dans un solvant organique 10 mL (chloroforme pour produire la forme micellaire sphériques ou THF pour produire la forme micellaire ver-comme). Mélanger la solution au Vortex pendant 1 mn (chloroforme) ou bain ultrasons pendant 2 min (THF).
  3. Mélanger 1 mL de solution QD et 1 mL de solution PS-PEG et vortexer pendant 1 min. ajouter le mélange à la seringue A. La seringue est en PTFE.
  4. Pour préparer la solution PVA, dissoudre 400 mg PVA (13-23 kDa, 87-89 % hydrolysé) dans 10 mL d’eau dans un bain-marie chauffé à 60 – 80 ° C pendant 4 à 5 h. autoriser la solution PVA se refroidir à température ambiante avant utilisation.
  5. Ajouter 5 mL de solution PVA pour seringue B. La seringue est en PTFE.

2. installation de l’équipement

  1. Insérer le tube capillaire interne dans l’ensemble capillaire externe et vissez doucement en position. Ne pas trop serrer. Figure 2 illustre la configuration globale du système coaxial electrospray. L’aiguille capillaire interne est un capillaire en acier inoxydable de 27 G (diamètre extérieur 500 µm ; diamètre intérieur 300 µm), et l’aiguille extérieure est un connecteur à trois voies inox 20 G (diamètre extérieur 1 000 µm, 500 µm de diamètre intérieur). La tubulure PTEE utilisée a 1,8 mm de diamètre intérieur.
  2. Charger la seringue A sur pompe seringue A tel qu’illustré à la Figure 2. Se connecter A seringue à capillaire interne en acier inoxydable de la buse coaxiale electrospray, utilisez un tuyau de PTFE.
  3. Charger la seringue B sur seringue pompe B tel qu’illustré à la Figure 2. Connectez seringue B à l’extérieur en acier inoxydable capillaire de la buse coaxiale electrospray, utilisez un tuyau de PTFE.
  4. Position la buse coaxiale electrospray pointe environ 0,8 cm au-dessus d’un anneau en acier reliée à la terre (diamètre de 1,5 cm).
  5. Place une collection de verre plat environ 10 cm sous la buse coaxiale.
  6. Avec le bloc d’alimentation est éteint, branchez le fil de terre (fil noir sur la Figure 2) à l’anneau en acier reliée à la terre.
  7. Avec le bloc d’alimentation est éteint, branchez la borne positive (fil rouge sur la Figure 2), de l’alimentation à l’aiguille interne de la buse coaxiale à l’aide d’une agrafe métallique.

3. production de nanocristaux micellaire

  1. Régler la vitesse d’une pompe à seringue à 0,6 mL/h.
  2. Régler la vitesse de la seringue pompe B à 1,5 mL/h.
  3. Démarrer les deux pompes à seringue et d’attendre leurs débits respectifs à se stabiliser. Gouttes, formant à la bouche à un rythme régulier indiquent un débit stable. Cela se produit généralement dans les 60 s après le démarrage des pompes à seringue.
    Remarque : Il ne devrait y avoir aucuns bulles dans le tuyau et gouttelettes forment à la buse coaxiale electrospray.
  4. Allumez l’alimentation d’appliquer une tension positive élevée à la buse coaxiale electrospray. Régler la tension appliquée au sein de la gamme de 5 à 9 kV, jusqu'à un concave de cône-jet (c.-à-d., un jet convergent, communément appelé un « cône de Taylor ») est observée à l’extrémité de la buse coaxiale (comme indiqué dans l’encart de la Figure 3 a).
    ATTENTION : N’oubliez pas de ne pas y toucher electrospray buse haute tension est appliquée. Suivre les précautions de sécurité appropriées.
    NOTE : Manque de tension appliquée se solderont par gouttelettes formant à l’extrémité de la buse (comme indiqué dans l’encart de la Figure 3 b), tandis que trop élevé de tension appliquée provoque un arc électrique entre la buse et l’anneau en acier reliée à la terre.
  5. Après avoir obtenu un cône de Taylor stable (Figure 3 a), ajouter 10 mL désionisée dans un plat propre collection et remplacer le plat de collection de verre dans le programme d’installation. Le nouveau plat permettra de recueillir le produit micellaire nanocristallins.
  6. Exécutez le processus de production de nanocristaux micellaire pour une certaine durée de temps (pendant environ 40 min pour produire la forme micellaire sphériques ou environ 90 min pour produire la forme micellaire ver-comme). Retirez ensuite le plat de la collection de sous la buse par électronébulisation.
  7. Arrêter la pompe seringue A et B.
  8. Éteindre l’alimentation haute tension.
  9. Permettent le solvant organique s’évaporer (dans une hotte de laboratoire) de la capsule de la collection découvertes du jour au lendemain.
    Remarque : À en juger par les résultats de la caractérisation des produits micellaire nanocrystal, évaporation du jour au lendemain est suffisante pour éliminer le solvant organique afin d’obtenir des produits de bonne qualité.
  10. Enfin, transférer le produit de nanocristaux micellaire dans un tube à centrifuger 15 mL pour caractérisation (p. ex., spectroscopie de fluorescence, diffusion dynamique de la lumière, microscopie électronique à transmission et analyse thermique), application ou le stockage. Stockez le produit final nanocristallins micellaire dans un réfrigérateur à 4 ° C.
    Remarque : Le produit peut rester stable dans ces conditions de stockage au moins un mois.

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Résultats

La figure 1 présente un schéma résumant le contrôle des structures (forme et encapsulation) de nanocristaux micellaire par solvant organique utilisé dans le processus de production. Brièvement, le dichlorométhane conduit à des micelles sphériques avec aucune encapsulation de nanocristaux ; chloroforme conduit à des micelles sphériques avec un nombre faible d’encapsulation de nanocristaux ; THF conduit à des micelles sphériques avec un nombre élevé d’encapsula...

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Discussion

Le procédé de fabrication des nanocristaux micellaire décrites dans le présent travail combine descendante electrospray, ascendante auto-assemblage et contrôle de la structure à base de solvant. Une méthode de contrôle de qualité efficace et pratique consiste à utiliser le cône de Taylor, formé à l’extrémité de la buse coaxiale. C’est parce qu’un cône bien constitué de Taylor indique le solde (ou près de solde) entre la force électrique et la tension superficielle, qui indique à son tour la formation réussie des micro-ré...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Les auteurs remercient le soutien financier d’un prix « Mille jeunes de Talents mondiaux » du gouvernement Central chinois, un prix « Shuang Chuang » du gouvernement Provincial de Jiangsu, fonds de lancement du College of Engineering and Applied Sciences, Université de Nanjing (Chine), prix décerné par le « Tian-Di » Fondation, octroi de la priorité académique programme développement Fonds de Jiangsu Higher Education Institutions (PAPD), subvention provenant du Fonds de sciences naturelles de Province de Jiangsu.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Points quantiques hydrophobesOcean NanotechQSPPoints quantiques solides hydrophobes CdSe/ZnS. La longueur d’onde d’émission de fluorescence maximale est de 605 nm.
Poly(styrène)-b-poly(éthylène glycol) (PS-PEG)Sigma-Aldrich666476-500MGLe poids moléculaire du segment PS est de 9,5 kDa et celui du segment PEG est de 18,0 kDa.
Poly(alcool vinylique) (PVA)Sigma-Aldrich363170-500GPoids moléculaire 13&ndash ; 23 kDa, 87&ndash ; Hydrolysé à 89 %.
Tétrahydrofurane (THF)Réactif chimique Sinopharma80124418
ChloroformeRéactif chimique Sinopharma40007960
Pompes à seringueBao Ding Shen ChenSPLab01
TubeShanghei Lai XingTube PTFE de 2 mm de diamètre extérieur et de 1,8 mm de diamètre intérieur.
SeringuesYi Ming5.CCseringue jetable de 5 mL en PTFE.
Alimentation haute tensionSérie Dong WenDW Alimentationen courant continu (0&ndash ; Gamme 50 kV).
Buse coaxiale par électrosprayHunan Chang Sha Na YiAssemblage en acier inoxydable. L’aiguille capillaire interne était de calibre 27 (diamètre extérieur 500 &mu ; m; diamètre intérieur 300 &mu ; m). Le capillaire externe était de calibre 20 (diamètre extérieur 1 000 &mu ; m; diamètre intérieur 500 &mu ; m).
VortexerXi’an HEB Biotechnology Co., Ltd. ChineMX-SMX-S avec une large plage de vitesse de 0&ndash ; 2 500 tr/min, régulation de la vitesse en continu, fonctionnement tactile et continu.
Anneau en acierYiwu Wan TuAnneaux avec une gamme de diamètres (0,8 &ndash ; 1,8 cm) peut être construit. Par exemple, un anneau de 1,3 cm de diamètre a été construit en enroulant un fil d’acier d’environ 25 cm (longueur) de 0,5 mm de diamètre (calibre 24, AWG).
Plat collecteur en verreGrainger1u5084Plat en verre de 25 mm de hauteur et 120 mm de diamètre.
Tube à centrifuger de 15 mLJiangsu Xinkang Medical Instrument Co., Ltd.X-407est fabriqué en polypropylène transparent (PP).
Le tube de centrifugation

Références

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Mots-clés

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