Contrôle de la taille, la forme et la stabilité des polymères supramoléculaires dans l'eau

Le but de cette expérience est de déterminer et de contrôler la taille, la forme et la stabilité de l'auto-assemblés amphiphiles discotiques dans l'eau. Pour aqueuses à base de polymères supramoléculaires un tel niveau de contrôle est très difficile. Nous appliquons une stratégie en utilisant les deux interactions répulsives et attractives. Les techniques expérimentales appliquées pour caractériser ce système sont largement applicables.

L’objectif général de l’expérience suivante est de contrôler la taille, la forme et la stabilité des nanoparticules dynamiques supermoléculaires dans l’eau. Ceci est réalisé par la conception d’amplifications dichotiques auto-assemblées ou polymérisantes dont la structure moléculaire est enrobée pour des interactions à la fois attractives et répulsives. Il en résulte un mécanisme de croissance frustré produisant des nanoparticules auto-assemblées dans l’eau avec une forme sphérique contrôlée.

Dans un deuxième temps, la concentration en sel de la solution aqueuse est augmentée, ce qui affaiblit les interactions répulsives codées dans la structure moléculaire de l’amphi disco. Cela induit une transition sphère-bâtonnet, un décapage circulaire dépendant de la température ou des études spectroscopiques CD ou effectuées pour révéler les mécanismes sous-jacents de cette transition sphère-bâtonnet. De plus, une combinaison de techniques analytiques telles que la microscopie électronique à transmission cryogénique et une résonance magnétique nucléaire sont utilisées pour mesurer et visualiser la transition d’un type d’agrégat à l’autre, des résultats sont obtenus qui montrent que la transition sphère-bâtonnet est exprimée dans une coopération améliorée dans la polymérisation supermoléculaire.

Cela provient d’une transition d’un processus anti-coopératif dans des nanoparticules de taille restreinte à un mécanisme d’élongation de nucléation entièrement coopératif qui conduit à de très grands polymères supramoléculaires, dans ce cas, des nano-bâtonnets dynamiques. Le principal avantage de combiner des techniques spectroscopiques comme la spectroscopie CD, la petite analyse, la diffusion des rayons X et l’IRM avec une technique microscopique comme la cryo est qu’elle permet de mesurer et de visualiser les transitions de polymères supermoléculaires dans l’eau. Ces polymères dynamiques peuvent répondre à des stimuli externes tels que les changements de température, les changements de force OnX ou les changements de pH.

La combinaison de ces méthodes est largement applicable et peut aider à répondre à des questions clés dans les domaines de la chimie moléculaire et des nanomatériaux auto-assemblés. Par exemple, la corrélation entre les dimensions des agrégats formés par l’auto-assemblage de petits blocs de construction moléculaires et les mécanismes de formation sous-jacents peut être étudiée. Les implications de cette méthodologie s’étendent à un large éventail d’applications bionanotechnologiques.

Nous nous sommes particulièrement intéressés au domaine de l’imagerie biomédicale et au développement d’agents de contraste nanoparticulaires auto-assemblés, où un équilibre délicat entre la stabilité de l’agrégat, le contraste élevé et la capacité d’excréter les agents de contraste auto-assemblés est d’une importance primordiale pour leur succès en utilisation clinique. Nous avons d’abord eu l’idée de combiner des techniques de caractérisation lorsque nous avons réalisé que des changements subtils dans la structure moléculaire des blocs de construction auto-assemblés peuvent conduire à des différences fondamentales dans le mécanisme de la polymérisation supermoléculaire. La démonstration de la procédure sera assurée par Paul Beaumont, expert et responsable des installations de cryo 10 à l’Université technique de Trovan.

Commencez ce protocole en préparant une solution de BTA gadolinium DTPA dans un tampon de citrate de 100 millimolaires comme décrit dans le protocole écrit. Accompagnant cette vidéo, remplissez un vétérinaire UV Q d’un centimètre avec la solution. Insérez le vétérinaire dans le support qve du spectromètre circulaire D crowism.

Mesurez un spectre CD de 230 à 350 nanomètres. Mesurez ensuite une courbe de refroidissement de CD à la bande CD la plus intense de 363 à 283 kelvins à raison d’un kelvin par minute. Ensuite, ajoutez le même volume de solution tamponnée à deux molaires de chlorure de sodium à la solution tamponnée au citrate de BTA gadolinium DTPA.

Cela augmentera la force ionique à une molaire de chlorure de sodium et diluera les discos à la moitié de la concentration. Vortex la solution avec une force ionique accrue pendant 40 secondes suite à l’augmentation de la force ionique, remesurer un spectre CD de 230 à 350 nanomètres. Mesurez ensuite une courbe de refroidissement de CD à la bande CD la plus intense de 363 à 283 kelvins à raison d’un kelvin par minute.

Exportez les données brutes du CD vers l’origine 8.5. Normalisez les spectres en définissant l’effet CD à la température mesurée la plus élevée comme étant égal à zéro, et l’effet CD à la température mesurée la plus basse comme étant égal à un, puisque l’amplitude de l’effet CD est proportionnelle au degré d’agrégation, les courbes CD normalisées sont proportionnelles au degré d’agrégation. Les données normalisées sont ajustées à l’aide d’une option d’ajustement de courbe non linéaire dans origin Pro 8.5 avec un modèle d’auto-assemblage dépendant de la température.

Dans ce modèle, on distingue une nucléation et un régime d’allongement. Tout d’abord, ajustez le degré d’agrégation dans le régime d’allongement. Dans cette équation, T représente la température variable.

PHI N est l’hélicité nette, qui est proportionnelle au degré d’agrégation, et HE est l’enthalpie moléculaire d’élongation. T TE représente la température d’allongement, qui est la température à laquelle l’auto-assemblage commence à devenir thermodynamiquement favorable. Le facteur de normalisation fiat est introduit pour s’assurer que Phi N sur fiat ne dépasse pas l’unité, qui découle de la contrainte que le degré d’agrégation ne peut pas dépasser.

L’ajustement unitaire permet d’extraire l’enthalpie d’allongement en rubis par mole et la température d’allongement en Kelvin qui caractérise l’auto-assemblage des molécules pour une concentration donnée. Lors de l’ajustement, obéissez à la restriction selon laquelle seul le degré d’agrégation à des températures inférieures à TE doit être ajusté puisque l’équation n’est valable que dans le régime d’allongement après l’ajustement de la première équation, le seul paramètre inconnu dans l’équation du régime de nucléation est la constante d’activation ka, qui décrit la coopérative de la polymérisation supramoléculaire. Pour trouver l’ajustement de la constante d’activation, le degré d’agrégation trouvé expérimentalement pour des températures supérieures à TE dans le régime de nucléation.

Commencez par préparer des solutions pour la microscopie électronique comme décrit dans le texte. Préparez brièvement deux tampons, un tampon de citrate de 100 millimolaires et un tampon de citrate de 100 millimolaires avec cinq molaires de chlorure de sodium, BTA gadolinium DTPA dans 0,1 millilitre de chacun des tampons préparés pour obtenir une concentration déco d’un millimolaire. Ensuite, traitez au plasma une grille recouverte de carbone quanti foil à l’aide d’un carbone C Resington 2 0 8 fonctionnant à cinq milliampères pendant 40 secondes.

La procédure de vitrification est une étape cruciale de la cryogénie, car elle permet de s’assurer qu’une fine couche d’ISIS brillante produite à est adaptée à l’analyse TAM. La solution aqueuse est appliquée sur la grille lors de la vitrification sur un robot FEI vitro automatisé. Cela implique l’application de l’échantillon sur la grille, le transfert de l’excès de liquide pour créer une fine pellicule de la solution aqueuse sur la grille, puis la vitrification par trempage très rapide de la grille dans de l’Ethan liquide.

Après la vitrification, transférez la grille traitée dans de l’azote liquide pour la préserver, puis transférez manuellement la grille d’échantillonnage sur une cassette de chargement automatique, qui est également refroidie avec de l’azote liquide. L’étape suivante consiste à insérer la cassette dans le cryo TUE Titan, TEM auto Loader. L’AUT Cryo Titan est équipé d’un canon à émission de terrain fonctionnant à 300 kilovolts.

L’enregistrement des images TAM nécessite de l’expérience et une manipulation rapide. En effet, le faisceau d’électrons de haute énergie endommage l’échantillon lors de l’imagerie. Enregistrez des images à l’aide d’une caméra CCD équipée d’un filtre d’énergie gatin post-colonne. Étant donné que le gadolinium est hautement paramagnétique et que les signaux de protons seraient ainsi considérablement élargis, un disco différent a été utilisé où le gadolinium a été substitué par de l’yttrium diamagnétique et une solution d’atrium BT.

Le DTPA est préparé. Calculez combien de milligrammes de DTPA de l’oreillette BT à un poids moléculaire de 2 979 grammes par mole sont nécessaires pour atteindre une concentration cible d’un millimolaire. Procéder à la dissolution de la quantité déterminée de DTPA dans un tampon de succinate déclassé de 50 millimolaires dans D deux O après avoir pipeté 0,6 millilitres de la solution résultante dans un tube RMN BABA.

Insérez l’échantillon dans une unité variante, dans le spectromètre Nova 500 équipé d’une sonde I-D-P-F-G de cinq millimètres de Varian. Réalisez les expériences DOI comme indiqué dans le texte après avoir enregistré une RMN de protons standard en adaptant l’impulsion de 90 degrés et en optimisant les temps de mélange en conséquence. La séquence d’impulsions DOI à un coup est utilisée après la détermination de l’auto-diffusion de HDO dans la sonde de référence ovarienne, et dans l’échantillon, le coefficient de diffusion des agrégats est déterminé à partir duquel le rayon hydrodynamique peut être calculé.

Enfin, calculez les rayons hydrodynamiques RH des agrégats en utilisant la relation de Stokes Einstein pour la diffusion d’une particule sphérique. Le caractère ionique des complexes périphériques de gadolinium DTPA introduit une frustration dans la croissance unidimensionnelle des monomères disco dont le noyau est conçu pour polymériser en agrégats allongés ressemblant à des bâtonnets. L’équilibre entre les interactions attrayantes et répulsives contrôle la taille et la forme des agrégats.

La source synchrotron est une technique puissante pour déterminer la taille et la forme des particules et de la solution. Diffusion des rayons X aux petits angles ou nulle. Le DTPA BTA gadolinium a été dissous dans une solution tampon de citrate et les profils de succion ont été enregistrés à deux concentrations différentes.

Une pente proche de zéro dans la région de Q faible indique un manque de forme et d’isotropie dans l’agrégat, suggérant la présence d’objets sphériques. Les données mesurées à différentes concentrations ont été ajustées à l’aide d’un facteur de forme sphérique mono dispersé homogène conduisant à un rayon calculé de 3,2 nanomètres. Le rayon géométrique calculé du disco monomère, BTA gadolinium DTPA, est de 3,0 nanomètres, ce que la présence d’un agrégat a un rapport d’aspect proche de un afin de fournir des preuves supplémentaires de la forme sphérique et de la taille nanométrique des objets auto-assemblés.

Une spectroscopie RMN ordonnée par diffusion de protons a été réalisée. La RMN DOI permet de déterminer les coefficients de diffusion des agrégats supermoléculaires à partir desquels leur rayon hydrodynamique peut être calculé. Le coefficient de diffusion de l’amplify dichotique diamagnétique agrégé dans un tampon de succinate deutéré a été déterminé à 0,69 fois 10 à la puissance moins 10 mètres carrés par seconde via la relation d’Einstein de Stokes.

Un rayon hydrodynamique de 2,9 nanomètres a été calculé pour les objets discrets de taille sphérique. Cette taille correspond parfaitement à la valeur obtenue à partir des données SOX pour le DTPA BTA gadolinium. D’autres preuves d’un contrôle réussi de la longueur d’empilement unidimensionnelle ont été obtenues à partir de micrographies cryo TEM.

Le BTA gadolinium DTPA produit les objets sphériques attendus avec des diamètres proches de six nanomètres à une concentration d’un millimolaire, ce qui confirme les résultats des mesures so et DOI. La formation de bâtonnets à rapport d’aspect élevé, comme les polymères supramoléculaires, est clairement observée dans les micrographies cryogéniques à haute force ionique. Le dépistage électrostatique est l’explication la plus probable de cette constatation.

La forme passe d’un agrégat sphérique d’environ six nanomètres de diamètre à des tiges allongées d’un diamètre de six nanomètres et d’une longueur allant jusqu’à plusieurs centaines de nanomètres. Les spectres CD à température ambiante du BTA Gadolinium DTPA avec une concentration en sel croissante sont présentés ici. La concentration de BTA gadolinium DTPA est de huit fois 10 à la puissance moins trois millimolaires à faible force ionique et de quatre fois 10 à la puissance moins trois millimolaires à haute force ionique.

Bien qu’une concentration nettement plus faible soit appliquée pour les mesures CD, l’effet coton clair indique la présence d’agrégats intacts, même à des concentrations micromolaires. La forme du spectre CD change lorsque la concentration en sel augmente, ce qui est une bonne indication de la réduction des interactions répulsives à la périphérie des piles et de l’amélioration de l’empilement des décos. De plus, les courbes de refroidissement des CD des mêmes solutions présentent des différences de forme distinctes.

La température à laquelle l’agrégation commence se déplace vers des températures plus élevées à une concentration de sel plus élevée. Un mécanisme de plus en plus coopératif apparaît également, caractérisé par une augmentation plus abrupte de l’effet CD, tandis que la courbe de refroidissement à zéro molaire de chlorure de sodium est mieux décrite par un modèle d’auto-assemblage smique ISO indiquant un processus anti-coopératif. La courbe de refroidissement à 1,0 molaire de chlorure de sodium est typique d’un processus d’auto-assemblage coopératif et peut être décrite par un modèle d’élongation de nucléation quantifiant les paramètres thermodynamiques de l’auto-assemblage de BTA gadolinium DTPA à zéro et une molaire de chlorure de sodium.

L’utilisation d’un modèle coopératif révèle clairement la diminution de ka, qui est l’activation sans dimension. Constant. Des valeurs plus faibles pour KA indiquent un degré plus élevé de coopération dans le processus d’auto-assemblage, qui s’exprime dans la formation de polymères supramoléculaires hautement allongés. Lors de la tentative des techniques expérimentales démontrées, il est important de se rappeler que seule une combinaison de méthodes expérimentales permettra d’obtenir une description globale significative des nanomatériaux dynamiques étudiés.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de l’étendue de l’application de notre approche expérimentale combinée et de la manière dont elle peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine des nanomatériaux auto-assemblés et des super poèmes.