Nous rapportons un protocole pour produire une membrane hybride de lipide à l’interface eau/air en dopant la bicouche lipidique avec des molécules de cuivre (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-phthalocyanine (CuPc). La membrane lipidique hybride résultante a une structure lipidique/CuPc/lipide de sandwich. Ce protocole peut également être appliqué à la formation d’autres nanomatériaux fonctionnels.
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Article de méthode
Auto-assemblage de membranes lipidiques hybrides dopées de molécules organiques hydrophobes à l’interface eau/air
Dans cet article
Résumé
Résumé
En raison de leurs propriétés uniques, y compris une épaisseur d’ultrathine (3-4 nm), la résistivité ultrahigh, la fluidité et la capacité d’auto-assemblage, les bicouches lipidiques peuvent être facilement fonctionnalisées et ont été utilisées dans diverses applications telles que les bio-capteurs et les bio-dispositifs. Dans cette étude, nous avons introduit une molécule organique planaire : cuivre (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-phthalocyanine (CuPc) pour doper les membranes lipidiques. La membrane hybride CuPc/lipide se forme à l’interface eau/air par auto-assemblage. Dans cette membrane, les molécules hydrophobes de CuPc sont situées entre les queues hydrophobes des molécules lipidiques, formant une structure de sandwich lipidique/CuPc/lipide. Fait intéressant, une bicouche lipidique hybride étanche à l’air peut être facilement formée en transférant la membrane hybride sur un substrat Si. Nous rapportons une méthode simple pour incorporer des nanomatériaux dans un système de bicouche lipidique, qui représente une nouvelle méthodologie pour la fabrication des biocapteurs et des biodevices.
Introduction
En tant que cadres essentiels des membranes cellulaires, l’intérieur des cellules est séparé de l’extérieur par un système de cale lipidique. Ce système se compose de phospholipides amphiphiliques, qui sont composés de phosphore hydrophile ester « têtes » et les acides gras hydrophobes « queues ». En raison de la fluidité remarquable et la capacité d’auto-assemblage des bicouches lipidiques dans l’environnement aqueux1,2, bicouches lipidiques artificielles peuvent être formés en utilisant des méthodessimples 3,4. Divers types de protéines membranaires, telles que les canaux imitants, les récepteurs membranaires et les enzymes, ont été incorporés dans la bicouche lipidique artificielle pour imiter et étudier les fonctions des membranescellulaires 5,6. Plus récemment, les bicouches lipidiques ont été dopées de nanomatériaux (p. ex., nanoparticules métalliques, graphène et nanotubes de carbone) pour former des membranes hybridesfonctionnelles 7,8,9,10,11,12,13. Une méthode largement utilisée pour former de telles membranes hybrides implique la formation de vésicules lipidiques dopées, qui contiennent des matériaux hydrophobes tels que les nanoparticules au-nanoparticulesmodifiées 7 ou les nanotubes decarbone 11, et les vésicules qui en résultent sont ensuite fusionnées en bicouches lipidiques planaires soutenues. Toutefois, cette approche est complexe et prend beaucoup de temps, ce qui limite les utilisations potentielles de ces membranes hybrides.
Dans ce travail, les membranes lipidiques ont été dopées avec des molécules organiques pour produire des membranes lipidiques hybrides qui se sont formées à l’interface eau/air par auto-assemblage. Ce protocole comporte trois étapes : la préparation de la solution mixte, la formation d’une membrane hybride à l’interface eau/air, et le transfert de la membrane sur un substrat Si. Comparée à d’autres méthodes précédemment rapportées, la méthode décrite ici est plus simple et ne nécessite pas d’instrumentation sophistiquée. En utilisant cette méthode, des membranes lipidiques hybrides étanches à l’air avec une plus grande surface peuvent être formées en un temps plus court. Le nanomatériau utilisé dans cette étude est une molécule organique semi-supraductrice, le cuivre (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-phthalocyanine (CuPc), qui est largement utilisé dans un certain nombre d’applications, y compris les cellules solaires, les photodétecteurs, les capteurs de gaz et la catalyse14,15. CuPc, une petite molécule organique à structure planaire, a une forte affinité pour le duo « queues » de phospholipides à ses caractéristiques hydrophobes. D’autres groupes ont signalé que les molécules CuPc peuvent s’auto-assembler sur des surfaces à cristaux simples avec la formation de structurestrès ordonnées 16,17. Par conséquent, il est très possible que les molécules CuPc pourraient être incorporées dans les bicouches lipidiques par auto-assemblage.
Nous fournissons une description détaillée des procédures utilisées pour former des membranes et fournissons quelques suggestions pour la mise en œuvre en douceur de cette procédure. En outre, nous présentons quelques résultats presentatifs des membranes hybrides de lipide, et discutons des applications potentielles de cette méthode.
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Protocole
1. Préparation d’une solution hybride
- Laver quatre flacons de verre jetables de 4 mL et des bouchons à vis (avec des joints enduits PTFE) dans un bain à ultrasons pendant 10 minutes dans de l’eau distillée (purifiée avec un système de filtration), suivies respectivement d’éthanol et de chloroforme. Sécher les flacons de verre et les bouchons dans un jet de gaz azoté.
- Dans une boîte à gants anaérobie, préparer une solution de bouillon CuPc (10 mg/mL) dans un flacon de verre lavé en dissolvant le CuPc en poudre au chloroforme.
- Filtrer la solution CuPc à travers une membrane de polytétrafluoroéthylène (PTFE) de 0,2 μm.
- Conservez la solution filtrée dans un flacon de verre lavé rempli d’azote et scellez le flacon avec du parafilm.
- Sortez la solution chloroforme 1,2-diphytanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPhPC) achetée (25 mg/mL) du réfrigérateur -80 °C et laissez-la chauffer à température ambiante.
- Remuer la solution DPhPC à l’aide d’un mélangeur vortex à 2300 rpm pendant 10 s.
- Rincer une micro-seringue en verre avec du chloroforme pendant 5 fois.
- Transférer 200 μL de la solution chloroforme DPhPC dans un flacon de verre prélavé à l’aide de la seringue lavée. Évaporer le solvant dans le flacon avec un doux jet d’azote.
- Rincer une micro-seringue en verre 5 fois avec du chloroforme.
- Ajouter 202,6 μL de chloroforme au flacon de verre avec le DPhPC à l’aide de la seringue nettoyée.
- Ajouter 47,4 μL de solution CuPc filtrée de 10 mg/mL dans la solution DPhPC. Le rapport molaire de DPhPC à CuPc devrait être de 10:1.
- Rincer la micro-seringue en verre 5 fois avec du chloroforme.
- Ajouter 250 μL d’hexane à la solution à l’aide de la seringue. La concentration finale de la solution doit être de 10 mg/mL.
- Mélanger la solution préparée à l’aide d’un mélangeur vortex à 2300 rpm pendant 10 s.
- Filtrer la solution CuPc à travers une membrane de polytétrafluoroéthylène (PTFE) de 0,2 μm.
- Sceller le flacon de verre avec du parafilm. Mettez-le dans un sac scellé poignée remplie d’azote et placez le sac scellé poignée dans un congélateur à -20 °C.
REMARQUE : Après l’étape 1.13, le DPhPC et le CuPc ont été dissous dans un solvant mélangé, qui était composé de chloroforme et d’hexane (rapport de volume de 1:1). En outre, le rapport molaire de DPhPC à CuPc n’est pas limité à 10:1. Avec une concentration constante de lipides (10 mg/mL), différents rapports molaire peuvent être utilisés. Selon les résultats expérimentaux précédents, une gamme de 10:1 à 3:1 est préférée pour former une membrane lipidique hybride de haute qualité.
2. Formation d’une membrane hybride à l’interface eau/air
- Couper les substrats Si (3 cm x 3 cm) d’une gaufrette Si.
- Nettoyez les substrats Si de 3 cm x 3 cm dans un bain ultrasonique pendant 10 min dans de l’eau purifiée, suivis de l’éthanol, puis du chloroforme. Traiter le substrat Si avec un plasma O2 pendant 5 min pour enlever les matières organiques adsorbées de la surface et améliorer l’hydrophilie.
- Laver un bécher en téflon d’un diamètre intérieur de 7,5 cm avec de l’eau purifiée qui coule pendant 3 min.
- Mettez le substrat Si nettoyé dans le bécher PTFE lavé. Le substrat est incliné à un angle de 30° à l’horizontale.
- Verser une quantité suffisante d’eau purifiée dans le bécher en téflon jusqu’à ce que tout le substrat Si soit submergé.
- Sortez la solution hybride préparée du congélateur et laissez-la chauffer à température ambiante.
- Remuer la solution hybride à l’aide d’un mélangeur vortex à 2300 rpm pendant 15 s.
- Rincer une micro-seringue en verre (50 μL) 5 fois avec du chloroforme.
- Déposez 3 à 5 μL de la solution hybride à la surface de l’eau à l’aide de la seringue pour former une membrane lipidique hybride flottante.
REMARQUE : Lorsque la solution est abandonnée, il est important de maintenir la gouttelette près (moins de 1 cm) de la surface de l’eau. Il convient également de noter qu’une membrane hybride à couche unique n’est pas visible à l’œil nu, mais la membrane hybride multicposition apparaît comme mince film de couleur bleue. Afin de transférer la membrane hybride multicque vers le substrat Si, il est important de laisser tomber la solution mixte le plus près possible du substrat Si.
3. Transférer la membrane sur un substrat Si
- Après l’évaporation du solvant organique (cela prendra moins de 2 secondes), abaissez le niveau d’eau à une vitesse de 3 mm/min en pompant l’eau à travers un tube en caoutchouc qui est entraîné par une pompe périssaliste, pour transférer la membrane hybride flottante sur le substrat Si.
- Une fois le processus de transfert terminé (environ 5 min), placez le substrat Si sur un essuie-glace cleanroom et laissez toute l’eau résiduelle s’évaporer.
REMARQUE : L’abaissement du niveau d’eau à un taux aussi bas sert à minimiser la turbulence de l’eau et à protéger la membrane.
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Résultats
La membrane telle qu’elle est formée a une couleur bleu clair uniforme en raison de la présence de molécules CuPc. La zone de la membrane colorée est normalement de plusieurs centimètres carrés. Dans la figure 1A et la figure 1B,nous montrons une image microscopique et une image au microscope à force atomique (AFM) (y compris un profil de hauteur) de la membrane lipidique hybride sur un substrat Si. Dans l’image AFM, la membrane en haut à gauche est épaisse, ave...
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Discussion
Dans la solution précurseur de la membrane hybride, un solvant organique mixte (chloroforme et hexane) plutôt que du chloroforme pur est utilisé pour dissoudre les lipides et cupc. Si du chloroforme pur est utilisé, la densité de la solution précurseur serait plus élevée que l’eau. Par conséquent, il est fort probable que la solution coulerait au fond de l’eau plutôt que de se propager à la surface de l’eau. L’ajout d’hexane, un solvant de faible densité, à la solution précurseur, garantit que la solution flottera à la s...
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Déclarations de divulgation
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Remerciements
Ces travaux ont été soutenus par le programme CREST de l’Agence japonaise des sciences et de la technologie (JPMJCR14F3) et grant in-aids de la Japan Society for the Promotion of Science (19H00846 et 18K14120). Ces travaux ont été réalisés en partie au Laboratoire de nanoélectronique et de spintronique, Institut de recherche en communication électrique de l’Université de Tohoku.
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Chloroforme | Wako ; Produits chimiques | 033-08631 | |
| CuPc | Sigma-Aldrich | 423165 | |
| DPhPc | Avanti Polar Lipids | 850356C | |
| Flacons en verre avec bouchon à vis | Nichiden-Rike Glass Co., Ltd | 6-29801 | |
| Hexane | Wako ; Produits chimiques | 084-03421 | |
| Filtres à membrane | Merck Millipore Ltd. | ||
| Micro-seringue | Hamilton | 80530 | |
| Pompe péristaltique | Tokyo Rikakikai Co., Ltd. | ||
| Mélangeur Vortex | Scientific Industries, Inc. | SI-0286 |
Références
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