פיזור של ננו בתקשורת מימית: לקראת פרוטוקול אופטימיזציה
25 בדצמבר 2017
כאן, אנו מציגים עבור הפיזור של ננו פרוטוקול הדרגתיים בתקשורת מימית עם אפיון בזמן אמת כדי לזהות את התנאים sonication אופטימלית, עוצמת ומשך עבור יציבות משופרת ואחידות של ננו-חלקיק דיספרסיות סטירול מבלי להשפיע על שלמות הדגימה.
המטרה הכוללת של הליך זה היא להשתמש באפיון בזמן אמת כדי לזהות את תנאי הסוניקציה, העוצמה ומשך הזמן האופטימליים להשגת פיזור ננו-חומרים יציב ואחיד במדיה מימית. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בננו-מדע, במיוחד בתחום הננוטוקסיקולוגיה, כיצד לייעל את פיזור הננו-חלקיקים מבלי להשפיע על שלמות הדגימה. היתרון העיקרי של אסטרטגיית אופטימיזציה זו הוא בכך שהיא משפרת את השליטה על איכות הפיזור הסופית, שהיא חיונית להבטחת יכולת החזרה.
כדי להתחיל בהליך, כייל את סוניקטור הבדיקה המצויד בסוניטרוב בלוק בקבוקון. לאחר מכן השתמש במרית מתכת נקייה כדי למדוד שני מיליגרם של הננו-אבקה שנבחרה בכל אחד משלושה בקבוקוני זכוכית נקיים של 10 או 20 מיליליטר, ממוספרים מאחד עד שלוש. פיפטה מיליליטר אחד של מים נטולי יונים לאורך הדפנות הפנימיות של כל בקבוקון.
עבור דגימות הידרופוביות, במקום זאת השתמש במיליליטר אחד של 0.5 אחוז בנפח אתנול במים נטולי יונים. מערבבים כל דגימה לעיסה סמיכה. לאחר מכן, הוסף מספיק מים נטולי יונים למשחה כדי להשיג ריכוז דגימה סופי של 0.2 מיליגרם למיליליטר.
סובב אופקית את הבקבוקונים כדי לעקור כל ננו-אבקה שנדבקת לדפנות הפנימיות. העבירו 1.5 מיליליטר מכל פיזור ננו-אבקה לצינורות מיקרו-צנטריפוגה נקיים המסומנים במספרים המתאימים. סגור היטב את הצינורות וסובב אותם כדי לעקור ננו-אבקה מהקירות הפנימיים.
לאחר מכן, הניחו את הדגימות בסוניטרובה. סוניקציה של הדגימות ב-1.1 וואט, דופק למשך שנייה אחת ושנייה אחת למשך שתי דקות. לאחר מכן, הסר דגימה אחת מהבלוק.
העבירו מיליליטר אחד מהחלק העליון של הפיזור לצינור מיקרו-צנטריפוגה נקי אחר. הוסף מים נטולי יונים לצינור כדי להגיע לריכוז דגימה של 0.02 מיליגרם למיליליטר. התחל מיד באפיון המדגם.
10 דקות לאחר סיום טיפול הסוניקציה הראשון, סוניקציה של הדגימות הנותרות למשך ארבע דקות, תוך שימוש באותן הגדרות משרעת ודופק. יש לדלל שניים עד 0.02 מיליגרם למיליליטר במים נטולי יונים ולהתחיל באפיון. 10 דקות לאחר סיום טיפול הסוניקציה השני, דגימת סוניקט שלוש למשך ארבע דקות נוספות באותן הגדרות.
דללו שלושה עד 0.02 מיליגרם למיליליטר והתחילו באפיון. ראשית, קרא לאמבטיה אולטרסאונד ביחס לחיישן האמבטיה. לאחר מכן, השתמש במרית נקייה כדי להניח שני מיליגרם של הננו-אבקה שנבחרה בכל אחד מארבעת בקבוקוני הזכוכית הנקיים, הממוספרים מארבע עד שבע.
פיפטה מיליליטר אחד של מים נטולי יונים לאורך דפנות כל בקבוקון וערבב את האבקות למשחות עבות. הוסף מים נטולי יונים כדי להשיג ריכוז דגימה של 0.2 מיליגרם למיליליטר בכל בקבוקון. מכסים את הבקבוקונים וסובבו אותם כדי לעקור כל ננו-אבקה שנדבקת למשטחים הפנימיים.
הנח את הבקבוקונים במרכז האמבטיה האולטראסונית המכוילת. ודא שמפלס המים נמצא באמצע הדרך למעלה מהבקבוקונים. סוניקציה של הדגימה ב-80 וואט למשך 15 דקות בטמפרטורת החדר.
לאחר מכן, העבירו מנה של דגימה ארבע לבקבוקון נקי. יש לדלל את האליקוט במים נטולי יונים ל-0.02 מיליגרם למיליליטר ולהתחיל באפיון. החלף את מי האמבטיה האולטראסונים במים טריים בטמפרטורת החדר כדי למנוע הצטברות חום שעלולה להשפיע על הפיזור.
כדי להתחיל להעריך את גודל החלקיקים באמצעות פיזור אור דינמי, פתח את תוכנת המכשיר וצור קובץ מדידת גודל. מלא את זמן שיווי המשקל, הטמפרטורה, סוג הקובט ומצב הניסוי. שמור את קובץ מדידת הגודל.
לאחר מכן, הפעל מדידת אימות DLS על מדגם של חרוזי לטקס סטנדרטיים בגודל נומינלי של 100 ננומטר. ודא שביצועי המכשיר עומדים בתקנים המתאימים. לאחר מכן, פיפטה לאט מיליליטר אחד של פיזור ננו-אבקה מדולל לקובטה חד פעמית נקייה בנפח נמוך, תוך הקפדה על הימנעות מהיווצרות בועות אוויר.
הכנס את הקובט למכשיר והתחל באיסוף הנתונים. בצע לפחות חמש מדידות לכל דגימה. לאחר מכן, בחר את כל המדידות וחשב את הממוצע עבור כל דגימה.
ייצא את נתוני המדידה לתוכנית גיליון אלקטרוני להמשך ניתוח. לאחר מכן, כדי להתחיל באפיון הדגימה עם ספקטרוסקופיה UV, פתח את תוכנת המכשיר והכן עור חדש. פיפטה שניים עד שלושה מיליליטר של פיזור ננו-אבקה מדולל לקובט קוורץ סטנדרטי נקי.
לאחר מכן, הגדר את טווח אורכי הגל של המכשיר כך שיהיה בין 700 ננומטר ל-200 ננומטר. רכוש ריק ממס לחיסור רקע. רכוש לפחות שלושה ספקטרומים לכל דגימה וייצא את הנתונים להמשך ניתוח.
לאחר מכן, כדי להתחיל באפיון הדגימה עם מיקרוסקופ אלקטרונים מעבר, הנח טיפה של פיזור ננו-אבקה מדולל על סרט פחמן חור נקי של 300 רשת. אפשר לדגימה להתייבש באוויר בתנאי הסביבה תוך הגנה מפני זיהום באוויר. לאחר מכן, שטפו את הרשת במים טהורים במיוחד כדי להסיר השפעות מייבוש לא אחיד.
רכוש תמונות TEM וייצא אותן לניתוח נוסף. לפני הפיזור, ננו-חומרים של תחמוצת אבץ עם פרופילי משטח הידרופיליים או הידרופוביים הראו גדלים ממוצעים גדולים של חלקיקים ופיזור גבוה. גודל החלקיקים והפיזור הרב פיזורי של תחמוצת האבץ ההידרופילית פחתו לאחר 15 דקות של סוניקציה באמבט קולי, אך גדלו ככל שהסוניקציה נמשכה.
תמונות TEM מאשרות שהחלקיקים הצטברו מחדש עם סוניקציה מתמשכת. טיפול באמבט אולטרסאונד של חלקיקי תחמוצת האבץ ההידרופוביים הביא לירידה בגודל החלקיקים בפוליפיזור, שהתייצב לאחר 30 דקות. השפעות ייבוש נצפו בתמונות TEM של תחמוצות האבץ ההידרופוביות, מה שמצביע על כך שהרטבה מוקדמת עם אתנול הובילה לקושי לשתק את האבקה על רשת הפחמן.
טיפול בדיקה אולטראסוני באבקה ההידרופילית הביא לפיזור הומוגני ויציב לאחר שתי דקות. סוניקציה מתמשכת הובילה לצבירה מחדש מהירה. התנהגות דומה נצפתה עם האבקה ההידרופובית.
בהתבסס על ערכי פוליפיזור, תנאי הפיזור האופטימליים לאבקות תחמוצת האבץ ההידרופיליות וההידרופוביות נמצאו כטיפול באמבטיה לא טרטרסונית למשך 60 ו-30 דקות בהתאמה. סוניקציה משמשת בדרך כלל לצבירה ופיזור של ננו-חומרים במדיה מימית. עם זאת, יש לבצע אופטימיזציה מחדש של אסטרטגיית האופטימיזציה עבור כל שינוי בסוג הננו-חומר או במדיום הפיזור.
בזמן ניסיון הליך זה, זכור לכייל את הסוניקטורים כדי לקבוע את האנרגיה האקוסטית היעילה שלהם המועברת למתלה. הקפד להקליט את כל פרמטרי הסוניקציה ונקודות הזמן שהוערכו. לאחר השליטה, ניתן להשתמש בטכניקה זו לפיזור ננו-חומרים במים, או במדיה אחרת, על ידי התאמה אינדיבידואלית של סוג הסוניקציה, הזמן והעוצמה, תוך התחשבות בעליית הטמפרטורה במהלך התהליך.
סקירה כללית
מאמר זה מציג פרוטוקול לאופטימיזציה של דיספרסיית ננו-חומרים בתוכים מימי באמצעות אפיון בזמן אמת. הדגש הוא על זיהוי תנאי סוניקציה אופטימליים לשיפור היציבות והאחידות של דיספרסיות ננו-חלקיקים תוך שמירה על שלמות הדגימה.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- ננו-מדע
- ננו-רעילות
רקע
- ננו-חומרים דורשים פיזור יעיל עבור יישומים שונים.
- סוניקציה היא שיטה נפוצה המשמשת לפיזור ננו-חלקיקים.
- אפיון בזמן אמת מסייע באופטימיזציה של תנאי הפיזור.
- הבנת הפיזור חיונית להבטחת שלמות הדגימה.
מטרת המחקר
- פיתוח פרוטוקול מהימן לפיזור ננו-חלקיקים.
- זיהוי פרמטרי סוניקציה אופטימליים לשיפור איכות הפיזור.
- הערכת השפעת הסוניקציה על יציבות הננו-חלקיקים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- כיול של סוניקטור עם גשושית ואמבט אולטרסוני.
- הכנת דספרסיות של נאנו-אבקה בבקבוקוני זכוכית.
- סוניקציה של דגימות בתנאים משתנים.
- אפיון באמצעות פיזור אור דינמי, ספקטרוסקופיית UV-vis ומיקרוסקופיה אלקטרונית חודרת (TEM).
תוצאות עיקריות
- זוהו תנאי סוניקציה אופטימליים הן עבור ננוחלקיקי תחמוצת אבץ הידרופיליים והן עבור הידרופובים.
- הסוניקציה שיפרה את איכות הפיזור, אך הובילה לאגרגציה מחדש במידה שהוסיפה על כך יתר על המידה.
- טכניקות אפיון אישרו את יעילותו של פרוטוקול הפיזור.
מסקנות
- הפרוטוקול שפותח משפר את השליטה בפיזור הננו-חלקיקים.
- ניטור בזמן אמת חיוני לאופטימיזציה של פרמטרי הסוניקציה.
- נדרשים מחקרים נוספים כדי לבחון את היציבות ארוכת הטווח של התסמיכים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית מרכזית
אופטימיזציה של פיזור ננו-חומרים במדיה מימית היא קריטית למחקרי ננו-רעילות הניתנים לשחזור ולהערכות בטיחות פרה-קליניות מהימנות. פרוטוקול זה מאפשר זיהוי שיטתי של פרמטרי סוניקציה המאזנים בין איכות הפיזור לבין שלמות הדגימה, ובכך מפחית את השונות בהערכות ביולוגיות המשך. באמצעות קביעת תנאי פיזור הרמוניים, צוותי מו"פ בביו-פארמה יכולים לשפר את רמת הביטחון החזויה באפיון סיכונים של ננו-חומרים ולתמוך בקבלת החלטות מותאמת סיכונים בשלבי הפיתוח המוקדמים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של התנהגות ננו-חומרים תחת תנאי פיזור מבוקרים כדי להבהיר קשרי מבנה-פעילות.
- ערך תפעולי: מספק שיטה הניתנת לשחזור להכנת תרחיפים אחידים עבור בדיקות מעורבות מטרה עקביות.
- ערך חיזוי: תומך בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי מזעור ארטיפקטים המוּשגים כתוצאה מאגרגציה בנתוני סריקה ראשוניים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: יצירת תללי ננו-חומרים יציבים ומונו-דיספרסיים המתאימים לפורמטים של סריקה בשרידה גבוהה.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה של הכנת הדגימות בין פלטות הבדיקה, ובכך שיפור השחזוריות בין הבארות.
- יכולת הרחבה: מקלה על המעבר מתהליכי אופטימיזציה לזרימות עבודה של סריקה, באמצעות התאמות מתועדות של זמן הסוניקציה, ההספק והתווך.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: שומר על תכונות פני השטח של הננו-חומר במהלך הפיזור, ובכך משמר את הרלוונטיות לאינטראקציות ביולוגיות.
- המשכיות תרגומית: מקשר בין אופטימיזציית פיזור בשלב הגילוי לבין פיתוח פורמולציות למינון פרה-קליני.
- הפחתת סיכונים: מפחית אותות חיוביים או שליליים שגויים במבחני רעילות הנגרמים משונות באגלומרציה.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
השיטה משתלבת ברצף הגילוי, החל מטיפול ראשוני בננו-חומרים ועד להכנה המוכנה לבדיקה, ובכך היא תומכת בקלט עקבי לשלבי הסריקה הביולוגית והערכת הבטיחות.
- ביולוגיה של גילוי: מבטיחה שבדיקת ההשערות תתבצע על ננו-חומרים מפוזרים היטב, ובכך מפחיתה משתנים מתערבים בניתוח מסלולים.
- סריקה: מספקת תרחיפים הניתנים לשחזור עם מדדי גודל ופולידיספרסיות כמותיים למדידות אמינות של תגובות לתרכובות או לגירויים.
- אנליטיקה: משלבת תוצאי פיזור אור דינמי (DLS) ו-UV-vis להגדרת קריטריוני קבלה ליציבות הפיזור לפני המעבר לבדיקות תאיות.
- מחקר תרגומי: תומכת ברציפות על ידי אספקת פיזורים מאופיינים שניתן להשתמש בהם במודלים פרה-קליניים עם תכונות פיזיקו-כימיות ידועות.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת מסגרת פרוטוקול גמישה שניתן ליישם על סוגים שונים של ננו-חומרים ותמיסות מימיות, ובכך מקדמת סטנדרטיזציה בין פרויקטים שונים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון בתיקוף המטרה על ידי הפחתת שונות הקשורה לפיזור במדידות פנוטיפיות.
- ערך תפעולי: משפר את השחזוריות באמצעות תנאי סוניקציה סטנדרטיים ונקודות בקרה לניטור בזמן אמת.
- ערך אסטרטגי: משפר את איכות קבלת ההחלטות לגבי המשך התהליך (go/no-go) על ידי מזעור אותות שגויים הנובעים מארטיפקטים של אגלומרציה בנתונים ראשוניים.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף של מועמדים לננו-חומרים מותאם סיכון, בהתבסס על נתוני פיזור ואפיון מהימנים.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בטיפול בחומרי ננו וכיול סוניקטור להערכת אספקת אנרגיה אקוסטית יעילה.
- תלוי בגישה לסוניקטורים מסוג probe, אמבטיות אולטרסוניות וכלי אפיון כגון DLS וספקטרומטרים של UV-vis.
- מחייב הסכמה בין צוותים על פרמטרי הסוניקציה ופרוטוקולי הדילול לצורך שחזוריות רב-אתרית.
- כולל שלבי התאמה בעת שינוי הרכב הליבה של חומר הננו, הכימיה של הפני השטח או תוצר הפיזור מעבר למים או תערובות של אתנול-מים.
- כולל מגבלות מעשיות כגון ניטור טמפרטורה במהלך הסוניקציה כדי למנוע דגרדציה תרמית של חומרי ננו רגישים.
שאלות נפוצות בביופארמה
Chapters in this video
0:05
Title
0:44
Nanopowder Dispersion in an Aqueous Medium with an Ultrasonic Probe
3:14
Nanopowder Dispersion in an Aqueous Medium with an Ultrasonic Bath
4:39
Sample Characterization
7:04
Results: Dispersion of Hydrophilic and Hydrophobic Zinc Oxide Nanomaterials in Aqueous-based Media
8:42
Conclusion
