הרכבה עצמית של קרום שומנים היברידי מסוממים עם מולקולות אורגניות הידרופוביות בממשק מים/אוויר
1 במאי 2020
אנו מדווחים על פרוטוקול לייצור קרום שומנים היברידי בממשק המים/אוויר על ידי סימום ביטל השימנים עם נחושת (II) 2,9,16,23-טטרה-אטרה-butyl-29H,31H-phthalocyanine (CuPc) מולקולות. קרום שומנים היברידית וכתוצאה מכך יש מבנה כריך שומנים/CuPc/שומנים. פרוטוקול זה יכול להיות מיושם גם על היווצרות של ננו-חומרים פונקציונליים אחרים.
הפרוטוקול שלנו מדגים שיטה פשוטה לפברק מולקולה אורגנית סימום קרום השומנים היברידית. המאפיין יציב האוויר של הממברנה יכול להרחיב את היישום של מבנה bilayer השומנים למכשירי מצב מוצק. אנו משתמשים בתהליך הרכבה עצמית כדי ליצור קרום השומנים היברידי עם עובי של כמה ננומטרים.
פרוטוקול זה הוא פשוט וקל למעקב אינו דורש ציוד מסובך. שיטה זו יכולה לשמש כדי להמציא אחרים קרום השומנים biohybrid והוא יכול להיות מאומץ בקלות הן חיישנים והתקני חישה אחרים. עבודה בתא כפפות אנאירובי, להמיס פתאלוציאנין נחושת בכלורופורם בתוך בקבוקון זכוכית שטף להכין 10 מיליגרם לכל מיליליטר נחושת phthalocyanine פתרון מלאי.
סנן את הפתרון באמצעות קרום PTFE מיקרומטר 0.2. ערבבו את פתרון DPHPC עם מערבל מערבולת ב-2,300 סל"ד למשך 10 שניות. לאחר מכן שטפו מיקרו-מזרק זכוכית עם כלורופורם חמש פעמים ולהשתמש בו כדי להעביר 200 מיקרוליטרים של הפתרון לתוך בקבוקון זכוכית שטוף מראש.
להתאדות את הממס בבקבוקון עם זרם עדין של חנקן. לשטוף עוד מיקרו מזרק זכוכית עם כלורופורם, ולאחר מכן להשתמש בו כדי להוסיף 200, 2.6 microliters של כלורופורם לבקבוקון הזכוכית עם DPHPC. הוסף 47.4 מיקרוליטרים של פתרון מלאי פתלוציאנין נחושת מסוננת לתוך פתרון DPHPC אשר אמור לגרום יחס טוחן של 10 ל DPHPC אחד פתלוציאנין.
השתמש מזרק נקי אחר כדי להוסיף 250 microliters של הקסאן לפתרון. לאחר מכן מערבבים אותו עם מערבל מערבולת ב 2, 300 סל"ד במשך 10 שניות. סנן את הפתרון המוכן באמצעות קרום PTFE של 0.2 מיקרומטר.
חותכים שלושה על שלושה מצעי סיליקון סנטימטר מ רקיק סיליקון. ואז לנקות אותם באמבטיה קולית במשך 10 דקות במים מטוהרים, ואחריו אתנול, ולאחר מכן כלורופורם. לטפל מצעים עם פלזמת חמצן במשך חמש דקות כדי להסיר חומרים אורגניים ספיחים מפני השטח כדי לשפר הידרופיליות.
לשטוף מקור PTFE עם מים מטוהרים זורמים במשך שלוש דקות. ואז לשים את מצע סיליקון ניקה בסקילר מוטה עם זווית קטנה. יוצקים כמות מספקת של מים מטוהרים לתוך המקומה עד שכל מצע הסיליקון שקוע.
מוציאים את הפתרון ההיברידי המוכן מהמקפיא ומאפשרים לו להתחמם לטמפרטורת החדר. ואז מערבבים אותו עם מערבל מערבולת ב 2, 300 סל"ד במשך 15 שניות. השתמש במזרק מיקרו-מיקרו-מזרק 50 מיקרוליטר שטוף כדי להפיל שלושה עד חמישה מיקרוליטרים של הפתרון ההיברידי על פני המים ויוצרים קרום שומנים היברידי צף.
כדי להעביר את הממברנה על מצע הסיליקון, להתאדות את הממס האורגני לשאוב את המים מתוך המקור עם משאבה פריסטולית בקצב של שלושה מיליליטר לדקה. לאחר השלמת תהליך ההעברה, מניחים את מצע הסיליקון על מגב חדר נקי ומאפשרים לכל שאריות המים להתאדות. כפי שנוצר קרום השומנים היברידית יש צבע כחול בהיר אחיד בשל נוכחותם של מולקולות פתלוציאנין נחושת, ושטח של כמה סנטימטרים רבועים.
מוצגות כאן תמונות מיקרוסקופיות קונפוקלים ותמונות מיקרוסקופיה של כוח אטומי של הממברנה על מצע סיליקון. בתדמית AFM, הממברנה בפינה השמאלית העליונה עבה עם עובי של 79.4 ננומטר, ובימין התחתון דק עם עובי של 4.9 ננומטר. הממברנה הדקה מראה חספוס פני השטח של 0.4 ננומטר, אשר קרוב לזה של מצע הסיליקון ניקה.
ניתוח רנטגן פיזור אנרגיה שימש כדי להמשיך לחקור את הרכב הממברנה ההיברידית על מצע הסיליקון. היחסים האטומיים של יסודות מייצגים, כגון נחושת, זרחן, חנקן ופחמן הם 0.33, 0.97, 4.06 ו- 68.56%בהתאמה. היחס הבטוח התיאורטי של נחושת, לזרחן, לחנקן, לפחמן צריך להיות אחד, לשלוש, ל -11, ל -192, שהוא קרוב ליחס היסוד הנמדד בממברנה ההיברידית, המציין כי היחס בין השומנים למולקולות הפתלוציאנין הנחושת נשמר לאחר היווצרות הסרט ותהליכי ההעברה.
על ידי סימום קרום השומנים עם ננו אחרים, כגון גרפן או חלקיקי מנטול, קרום nanohybrid עם פונקציות שונות ניתן ליצור בקלות.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג פרוטוקול להכנת ממברנות ליפידיות היברידיות המעשירות בנחושת (II) פתלוציאנין (CuPc) בממשק מים/אוויר. השיטה עושה שימוש בתהליך של הרכבה עצמית ליצירת מבנה סנדוויץ' של ליפיד/CuPc/ליפיד, המגביר את היציבות ואת היישום של שכבות ליפידיות כפולות במכשירים במצב מוצק.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- ביופיזיקה
- מדע החומרים
- ננוטכנולוגיה
רקע
- ממברנות ליפידיות היברידיות משלבות מולקולות אורגניות עם שכבות ליפידיות כפולות.
- נחושת פתלוציאנין ידועה ביציבותה ובאתריה האלקטרוניים.
- לממברנות ליפידיות מסורתיות יש מגבלות ביישומים במצב מוצק.
- טכניקות של הרכבה עצמית הן קריטיות ליצור ננו-חומרים.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה פשוטה ליצירת ממברנות ליפידיות היברידיות.
- בחינת היישומים הפוטנציאליים של ממברנות אלו בחיישנים ובמכשירים.
- הדגמת פשטות הפרוטוקול עבור חוקרים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- המסה של CuPc בכלורופורם להכנת תמיסת מלאי.
- שימוש בתהליך הרכבה עצמית בממשק מים/אוויר.
- ייצור ממברים בעובי של מספר ננומטרים.
- ביצוע ניסויים בתוך תא כפפות אנאירובי.
תוצאות עיקריות
- ממברנות השומן ההיברידיות מראות יציבות באוויר.
- הפרוטוקול פשוט ואינו דורש ציוד מורכב.
- ניתן להשתמש בממברנות ביישומים שונים של חישה.
- השיטה ניתנת להתאמה ליצירת ממברנות שומן ביו-היברידיות אחרות.
מסקנות
- הפרוטוקול שפותח מקל על ייצור של ממברנות היברידיות פונקציונליות.
- לממברנות אלו יישומים פוטנציאליים במכשירים במצב מוצק.
- פשטות השיטה מעודדת שימוש נרחב יותר במחקר.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
פרוטוקול זה מאפשר יצירה של ממברי שומן היברידיים יציבים המועשירים בחומרים ננו-אורגניים, ומציע גישה ניתנת להרחבה לפונקציונליזציה של שכבות שומן כפולות עבור פלטפורמות של חיישנים ביולוגיים במצב מוצק. באמצעות שילוב של מולקולות הידרופוביות, כגון copper phthalocyanine, בתוך מקבצי שומן, השיטה תומכת בתיקוף מטרות בשלב מוקדם ובפיתוח בדיקות באמצעות תכונות ממברנה ניתנות לכיוונון. אופיין של ממברים אלו, הינם יציבים באוויר וניתנים להעברה, מקל על שילובם בתהליכי עבודה של מכשירים, מפחית את הסיכון הביולוגי בסריקות פרה-קליניות ומאפשר הערכה הדירה של תרכובות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של אינטראקציות בין ליפידים לננו-חומרים כדי להבהיר מנגנונים של הפרעה לממברנה וחלוקת תרכובות.
- ערך תפעולי: מספק תהליך הרכבה עצמית הניתן לשחזור ומבוסס ממס, הדורש רק ציוד מעבדה סטנדרטי כגון מזרקים, מערבלי וורטקס וזרמי חנקן.
- ערך ניבוי: תומך בהפחתת סיכונים מנגנונית על ידי התרה של סימום מבוקר של ממברנות ליפידיות כדי למדל זיקה בין תרכובות לליפידים ושינויים בנזילות הממברנה.
סריקה ופיתוח בדיקות
- ערך מדעי: מייצר ממברנות היברידיות ניתנות לכימות עם עובי (4–80 nm) והרכב הניתנים לכיוונון, מה שמאפשר קריאות סטנדרטיות עבור בדיקות הקשורות לממברנה.
- ערך תפעולי: מניב סרטים יציבים באוויר הניתנים להעברה למצעי סיליקון, מה שמאפשר שילוב ישיר עם מערכות גילוי אופטיות, אלקטרוניות או מבוססות AFM.
- סקלביליות: הפרוטוקול מייצר ממברנות אחידות על פני מספר סנטימטרים רבועים, מה שתומך בסריקה מקבילית ובשימוש חוזר בפלטפורמה לאורך פרויקטים שונים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- המשכיות תרגומית: שומר על יחסי מולריים של ליפידים למסננים (dopants) לאחר ההעברה, ובכך מבטיח הרכב ממברנה עקבי למודלים פרה-קליניים מהימנים.
- התאמה של סמני ביולוגיים: מאפשר שילוב של ננו-חומרים פלואורסצנטיים או אלקטרו-אקטיביים שישמשו כסמנים ביולוגיים תרגומיים במחקרי שלמות ממברנה או תגובה לתרופות.
- קידום מותאם סיכונים: מאפשר הערכה מוקדמת של השפעות ננו-חומרים על יציבות השכבה הכפולה, ובכך מספק מידע לקבלת החלטות לגבי המשך התהליך (go/no-go) באופטימיזציה של מועמדים מובילים.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד (Pipeline)
שיטה זו משתלבת ברצף הגילוי, החל מתיקוף יעדים ראשוני, דרך פיתוח בדיקות ועד לסריקה פרה-קלינית, ובמיוחד עבור יעדים הכוללים אינטראקציות עם ממברנות או תרכובים מווסתי-ליפידים.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבחינת השערות לגבי האופן שבו תרכובות הידרופוביות נספגות במבנה השכבה הליפידית הכפולה או משנות את הדינמיקה שלה.
- סריקה: מספק ממברנות הניתנות לשחזור ומוכנות לבדיקה, בעלות עובי ואחידות מדידים, לצורך הערכה של ספריות תרכובות.
- אנליזה: מאפשר אימות הרכב באמצעות ניתוח קרני X עם פיזור אנרגיה (EDX), המאשר את שימור החומרים המעשירים (dopants) ואת שלמות הליפידים לאחר ההרכבה.
- מחקר תרגומי: מקל על הרצף משלב הגילוי לעבודה פרה-קלינית על ידי ייצור ממברנות יציבות וניתנות להעברה המתאימות לשילוב במכשירים.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס פלטפורמה מודולרית להעשרת ממברנות ליפידיות בחומרי ננו שונים (למשל, גרפן, ננו-חלקיקי מנטול) ליצירת חיישנים ביולוגיים רב-תכליתיים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי באינטראקציות בין ממברנות למטרות על ידי מתן אפשרות לשילוב מבוקר וכמותי של ננו-חומרים.
- ערך תפעולי: מספק סטנדרטיזציה והדירות באמצעות פרוטוקול פשוט, הדורש מעט ציוד ומתאים לאימוץ על ידי מעבדות מרובות.
- ערך אסטרטגי: משפר את היעילות ההונית על ידי מתן אפשרות להפחתת סיכונים בשלבים מוקדמים עבור תרכובות פעילות בממברנה, ובכך מפחית את שיעורי הנשירה בשלבים מאוחרים.
- השפעה על פורטפוליו: תומך בתיעדוף מובילים (leads) מותאם סיכון, המבוסס על יציבות הממברנה ופרופילי חלוקה של תרכובות-ליפידים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בטיפול בליפידים, אידוי ממסים וטכניקות של הרכבה עצמית בין-פסיים.
- תלוי בגישה לתאי כפפות אנאירוביים, זרמי חנקן, מערבלי וורטקס ומערכות סינון PTFE.
- מחייב סטנדרטיזציה של ניקוי התשתית (מים, אתנול, כלורופורם, פלזמת חמצן) והכנת תמיסות להבטחת עקביות בין סדרות.
- התאמה לננו-חומרים אחרים דורשת אופטימיזציה של מסיסות, יחסי מולריות ותאימות ממסים.
- מגבלות מעשיות כוללות רגישות ללחות במהלך ההעברה ואת הצורך בתנאי חדר נקי למניעת זיהום התשתית.
