Kwantitatieve en kwalitatieve onderzoek van Particle-deeltje Interacties gebruik Colloïdaal Probe Nanoscopy

Samenvatting

Colloïdale sondev-nanoscopie kan binnen verschillende velden worden gebruikt om inzicht te krijgen in de fysische stabiliteit en coagulatiesnelheid van colloïdale systemen en om medicijnontdekking en formuleringswetenschappen te ondersteunen met behulp van biologische systemen. De beschreven methode biedt een kwantitatief en kwalitatief middel om dergelijke systemen te bestuderen.

Samenvatting

Colloïdale sondeverstelling (CPN), de studie van de interactieve krachten op nanoschaal tussen een speciaal voorbereide colloïdale sonde en een willekeurig gekozen substraat met behulp van de Atoomkrachtmicroscoop (AFM), kan belangrijke inzichten bieden in de fysieke interacties die aanwezig zijn in colloïdale systemen. Colloïdale systemen zijn wijdverbreid in verschillende toepassingen, waaronder farmaceutische producten, voedingsmiddelen, verven, papier, grond en mineralen, wasmiddelen, drukwerk en nog veel meer.^1-3 Bovendien kunnen colloïden in vele toestanden bestaan, zoals emulsies, schuimen en suspensies. Met behulp van colloïdale sondeverstelling kan men belangrijke informatie verkrijgen over de adhesieve eigenschappen, bindingsenergieën en zelfs inzicht krijgen in de fysische stabiliteit en coagulatiekinetiek van de aanwezige colloïden. Bovendien kan colloïdale sondeverstelling worden gebruikt met biologische cellen om te helpen bij het ontdekken van geneesmiddelen en de ontwikkeling van formuleringen. In dit artikel beschrijven we een methode voor het uitvoeren van colloïdale sondeverstelling, bespreken we belangrijke factoren die moeten worden overwogen tijdens de meting, en laten we zien dat zowel kwantitatieve als kwalitatieve gegevens kunnen worden verkregen uit dergelijke metingen.

Inleiding

Atomic force microscopie (AFM) is een techniek die kwalitatieve en kwantitatieve beeldvorming maakt en aftasten van een materiaaloppervlak. ^4-6 Traditioneel AFM wordt gebruikt voor de evaluatie van oppervlakte topografie, morfologie en structuur van multifasische materialen. AFM heeft de mogelijkheid om kwantitatief evalueren nano-schaal interacties, zoals lading, aantrekking, afstoting en adhesie krachten tussen specifieke sonde en substraat in zowel lucht en vloeibare milieus. ^7,8 AFM oorspronkelijk ontwikkeld door Binning, Quate en Gerber ⁹ toepassingen een sonde van bekende / bepaalde gevoeligheid en veerconstante te benaderen en / of scannen van een monster. Vanwege de fysieke interactie tussen de sonde en het monster, wordt de cantilever afgebogen tijdens contact of nabijheid en afhankelijk van de werkingsmodus, kan deze doorbuiging worden vertaald naar de topografie van het monster of maatregel krachten aanwezig is tussen de probe en monster verwerven. Wijzigingen aan de AFM technischeque, zoals colloïdaal sonde nanoscopy, ¹⁰ hebben toegestaan ​​wetenschapper direct evalueren van de nano-kracht interacties tussen twee materialen aanwezig in een colloïdaal systeem van belang.

In colloïdale probe nanoscopy wordt een bolvormig deeltje bij uitstek om de top van een cantilever bevestigd, vervangen van de traditionele conische piramidaal tips. Een bolvormig deeltje ideale vergelijking met theoretische modellen zoals Johnson, Kendal, Roberts (JKR) ¹¹ en Derjaguin, Landau, Vervwey, Overbeek (DLVO) ^12-14 theorieën en de invloed van de oppervlakteruwheid op de meting mogelijk te minimaliseren. ¹⁵ Deze theorieën worden gebruikt om de contactmechanica en verwacht binnen een colloïdaal systeem krachten tussen de deeltjes definiëren. De DLVO theorie combineert aantrekkelijke Van der Waal krachten en afstotende elektrostatische krachten (door elektrische tweelagig) kwantitatief verklaren het aggregatiegedrag van waterige colloïdale systemen, terwijl JKR theorie neemt het effect van contactdruk en adhesie elastische contact tussen twee componenten modelleren. Zodra een geschikte probe wordt geproduceerd, wordt het gebruikt om ander materiaal / deeltje benadering van de krachten tussen de twee componenten te evalueren. Met een standaard vervaardigd tip men kunnen interactieve krachten worden gemeten tussen dat punt en een materiaal van keuze zijn, maar het voordeel van een op maat gemaakte colloïdaal sonde maakt de meting van krachten aanwezig tussen materialen aanwezig in het onderzochte systeem. Meetbare interacties omvatten:.. Lijm, aantrekkelijke, afstotende, lading, en zelfs elektrostatische krachten tussen de deeltjes aanwezig ¹⁶ Bovendien kan de colloïdale sondetechniek worden gebruikt tangentiële krachten zich tussen deeltjes en materiaal elasticiteit staand ^17,18

De mogelijkheid om metingen uit te voeren in verschillende media is een van de grote voordelen van colloïdaal probe nanoscopy. Omgevingsomstandigheden, vloeibare mEdia, of-vochtigheid gecontroleerde omstandigheden kunnen allemaal worden gebruikt om de milieu-omstandigheden van het bestudeerde systeem na te bootsen. De mogelijkheid om metingen uit te voeren in een vloeibare omgeving maakt de studie van colloïdale systemen in een omgeving die het van nature voorkomt; dus, in staat om kwantitatief gegevens die direct vertaalbaar naar het systeem in zijn natuurlijke staat te verwerven. Bijvoorbeeld, kunnen de deeltjes interacties aanwezig in dosisinhalatoren (MDI) worden onderzocht met behulp van een model vloeibare stuwstof met soortgelijke eigenschappen als het drijfgas gebruikt in MDI's. Dezelfde interacties gemeten in de lucht zou niet representatief zijn voor het systeem bestaand in de inhalator. Bovendien kan het vloeibare medium worden aangepast om het effect van vocht binnendringen, een tweede surfactant of temperatuur op het deeltje interacties in een MDI evalueren. Het vermogen om temperatuur te regelen kan worden gebruikt om bepaalde stappen in de vervaardiging van colloïdale systemen bootsen om te evalueren hoe de temperatuur in de fabricagekosten ofopslag van colloïdale systemen kunnen een impact hebben op deeltjesinteracties hebben.

Metingen die kunnen worden verkregen met behulp van colloïdaal probes bevatten; Topografie scannen, individuele kracht-afstand curves, kracht-afstand hechting kaarten, en woont metingen kracht-afstand. Belangrijke parameters die worden gemeten met behulp van de colloïdale sonde nanoscopy methode in dit document zijn de snap-in, laadvermogen, en scheiding energiewaarden. Snap-in is een meting van de aantrekkende krachten, draagvermogen van de waarde van de maximale kleefkracht, en de scheiding energie brengt de energie die nodig is om het deeltje trekken uit contact. Deze waarden kunnen worden gemeten door middel van geisers of dwell krachtmetingen. Twee verschillende soorten dwell metingen omvatten doorbuiging en inspringen. De lengte en de aard van dwell meting kan specifiek worden gekozen om specifieke interacties die aanwezig zijn in een systeem van belang na te bootsen. Een voorbeeld is het gebruik van doorbuiging dwell - waarvoor geldtHet product in contact op een gewenste deflectiewaarde - de lijmverbindingen die zich in aggregaten gevormd dispersies evalueren. De lijmverbindingen gevormd kan worden gemeten als een functie van tijd en kan inzicht in de wijze om de aggregaten na langdurige opslag redisperse krachten. De overvloed aan gegevens die kunnen worden verkregen met behulp van deze methode is een bewijs van de veelzijdigheid van de methode.

Protocol

1. Voorbereiden van de Colloïdaal Probe en AFM Ondergrond

1. Om colloïdale sondes te bereiden, gebruik dan een eerder door de auteurs. ¹⁹
   1. Kortom, gebruik dan een hoek van 45 ° houder van een tipless cantilever vast te zetten op specifieke hoek van 45 ° (figuur 1A).
   2. Bereid een epoxy dia door smeren een dunne laag van epoxy op een microscoopglaasje. Gebruik een schone spatel of een langzame stikstofstroom zodat de laag epoxy toegevoegd aan het objectglaasje is minimale hoogte.
   3. Bevestig de epoxy dia naar een 40x optische zoom lens microscoop met behulp van een speciaal ontworpen houder (Figuur 1B). Gebruik vervolgens de cantilever de epoxy dia benaderen en verwerven van een kleine hoeveelheid epoxy op de cantilever.
   4. Herhaal deze stappen om ook een enkel deeltje van belang hechten aan de top van de cantilever (figuur 1C).
2. Bereid de AFM substraat door het aanbrengen van colloïdaal pardeeltjes op een AFM dekglaasje met behulp van een thermoplastisch plakstrip.
   1. Verhit een 35 mm rond dekglaasje tot 120 ° C en een kleine hoeveelheid van de lijm op het dekglaasje. De hoge temperatuur is noodzakelijk om de thermoplastische lijm voor toepassing smelten.
   2. Daarna afkoelen, het dekglaasje tot 40 ° C voordat het stof van de colloïdale deeltjes op de lijm. OPMERKING: Bij 40 ° C de lijm voldoende ingesteld dat de deeltjes niet worden ingebed in de lijm, maar de lijm kleverig genoeg om te waarborgen dat de deeltjes aan het substraat hechten.
   3. Verder koelen dekglaasje tot KT en gebruik een zachte stroom van stikstof om alle overmaat ongebonden deeltjes af te blazen.
   4. Was het substraat verschillende malen met vloeibare medium dat wordt gebruikt voor colloïdale probe metingen zodat alle losse deeltjes van het substraat verwijderd. Opmerking: Dit is belangrijk om de effecten van vrij stromende deeltjes tijdens de meting verminderen, dat kan onderhandelt met cantilever en fouten introduceren in de resultaten.

2. Montage van de Colloïdaal Probe, uitlijnen Laser, en in evenwicht brengen van System

1. Monteer de dekglaasje met de colloïdale deeltjes in de onderste helft van een vloeistof cel, zorg ervoor dat de O-ring correct aanligt om eventuele lekken te voorkomen.
2. Plaats een hydrofobe transparant vel op de microscoop podium te beschermen tegen vloeistof die gedurende het experiment kan lekken, vooral wanneer uitsluitend met de onderste helft van een vloeistof cel voor het meten en plaatst de vloeistof cel op de microscoop podium. OPMERKING: Voor de eenvoud kan men alleen maar de onderste helft van een vloeistof cel gebruiken, gezien het feit dat het systeem adequaat kan worden in evenwicht gebracht; tip - de verdamping verandert de toestand van de meting en de invloed op de resultaten / lezen.
3. Bevestig de colloïdale sonde naar de AFM scankop en monteren op de AFM. Met de AFM instrument software op, gebruik de knoppen op hetscannen hoofd naar de cantilever tip in beeld te brengen. LET OP: Alle procedurele stappen en metingen werden ingevuld met behulp van een MFP-3D-Bio AFM met Asiel Onderzoek software.
4. Om de intensiteit te maximaliseren, lijn de laser op de punt van de cantilever met de juiste aanpassing knoppen op het scannen hoofd.
5. Laat het systeem equilibreren gedurende 5-10 minuten of tot de vervorming waarde stabiliseert. Gebruik de doorbuiging instelknop om de afbuiging naar nul of licht negatief brengen.
6. Nadat het systeem geëquilibreerd in lucht, gebruikt de AFM software (thermische paneel in het venster Master Panel) thermisch berekenen InvOLS (gevoeligheid) en veerconstante van de colloïdale probe. OPMERKING: Deze gevoeligheid wordt tijdelijk gebruikt totdat de ware gevoeligheid wordt gemeten bij de voltooiing van de meting (zie stap 4).
   1. Selecteer "Cal Lente Constant" of "Cal InvOLS" en klik op "Capture Thermal gegevens".
   2. Eenmaaleen prominente piek blijkt, stoppen met het vastleggen van gegevens, en klik om in te zoomen op de belangrijkste piek.
   3. Klik op "initialiseren Fit", gevolgd door "Fit Thermische gegevens," aan de automatisch berekende veerconstante of InvOLS waarden te verkrijgen.
7. Voeg langzaam 2 ml van het vloeibare medium om de vloeistof cel met een spuit en zorgen dat er geen luchtbellen aanwezig zijn rond de cantilever zijn. Opnieuw uitlijnen van de laser, omdat de brekingsindex van het medium nu veranderd en opnieuw equilibreren het systeem waardoor de doorbuiging waarde te stabiliseren voordat u de vervorming op nul. OPMERKING: Als er een groot temperatuurverschil is tussen het milieu en de vloeistof, zal equilibrering langer duren.

3. Imaging and Data Acquisition

1. Stel de eerste scan grootte tot 20 pm, scansnelheid tot 1 Hz, scan hoek tot 90 °, setpoint op 0,2 V en het verkrijgen van een scan van het monster. Regelt de gain als nodig is om overlappende sporen te verkrijgenen nalopen bochten.
2. Zodra een deeltje van belang wordt gevonden, direct inzoomen op dat deeltje tot uitgebreide sonde interacties te beperken met het substraat voorafgaand aan het verkrijgen van kracht volume metingen.
3. Eenmaal ingezoomd, het verwerven van een voldoende beeld van een enkel deeltje of een deel van een enkel deeltje. Ga dan verder met de Force Panel in de software. Breng de rode positie balk naar de hoogste stand, zet de kracht afstand tot 5 micrometer, scansnelheid tot 0,1 Hz, triggerkanaal aan niets en voeren een krachtmeting. Zorg ervoor dat de sonde niet in contact komt het substraat.
4. Van de enkele meting grafiek verkregen, berekenen de virtuele afbuiging lijn door rechts te klikken op de grafiek-venster, en het selecteren van de "Bereken Virtual Def Line"-optie. Deze berekent automatisch de virtuele doorbuiging en de waarde bij te werken binnen de software.
5. Wijzig de trigger kanaal tot zeeg en stel het triggerpoint tot 20 nm. Stel de kracht distAnce 1 urn en stel de scansnelheid zoals gewenst afhankelijk van de gemeten krachten plaats.
6. De waarde handmatig aan te passen voor de afbuiging Inverse Optical Lever Gevoeligheid (InvOLS) in de recensie Force Panel na het uitvoeren van 2-3 opeenvolgende voorlopige enkele kracht metingen.
   1. Voer een enkele kracht meting, klik dan op de "Review" knop op de Force Panel die opent een Master Force Panel.
   2. Markeer de meest recent opgeleverde krachtmeting. Onder de "as" rubriek zorgen dat alleen "DeflV" is aangevinkt. Verander de "X-as" invoerveld naar "september" met behulp van het dropdown menu en klik op "maken grafiek."
   3. Klik op de "Parmezaanse" tab op de Master Force Panel en pas de waarde van "InvOLS" totdat het contact gebied van de grafiek is volledig verticaal. Bevolken dan deze waarde in het veld "defl InvOLS" zich onder de Cal60, sub-tabblad in het tabblad Force gelegen aan de hoofdweg Master Panel venster.
   4. Herhaal dit 2-3 keer dat de InvOLS waarde niet significant verandert.
7. Nu alle parameters zijn ingesteld, zodat het vloeibare medium niveau nog voldoende is en dat de doorbuiging is nog steeds stabiel. NB: Op dit moment kunnen enkel kracht bochten of geweld kaarten worden verkregen. Als dwell krachtmetingen gewenst zijn, kan de dwell opties zijn toegankelijk in de Force Panel.

4. Post-tuning van gevoeligheid voor Analyse

1. Na de voltooiing van de meting acquisitie, meet de werkelijke gevoeligheid van de colloïdale probe. Om dit te doen, voeren een krachtmeting met een relatief grote doorbuiging / force met de colloïdale sonde in dezelfde vloeibare medium tegen een "oneindig" harde ondergrond, zoals mica. OPMERKING: Gevoeligheid werd verkregen na afloop van de experimenten omdat de grote doorbuiging / force collo beschadigenidal sondes bereid met poreuze of breekbare colloïden.
2. De helling van het contactgebied wordt door de software berekent automatisch de gevoeligheid (Figuur 2). Gebruik deze werkelijke waarde van de gevoeligheid tijdens data-analyse van alle verkregen met behulp van die bepaalde colloïdale sonde bochten.

Resultaten

Vloeibare colloïdale systemen worden gebruikt voor verscheidene farmaceutische geneesmiddelafgiftesystemen. Voor inhalatie drug delivery, een gemeenschappelijk colloïdaal systeem is de schorsing onder druk dosisaërosol (pMDI). Deeltjesinteracties aanwezig binnen de pMDI spelen een vitale rol in de formulering fysische stabiliteit, opslag en afgifte van geneesmiddelen uniformiteit. In dit manuscript zijn tussen de deeltjes krachten tussen poreuze lipide gebaseerde deeltjes (~ 2 micrometer optische gemiddelde deeltjesdiam...

Discussie

Verschillende bronnen van instabiliteit van het systeem aanwezig zijn tijdens vloeibare colloïdale sonde nanoscopy kan gemakkelijk worden verholpen door middel van goede equilibrering procedures. Instabiliteiten zoals besproken eerder leiden tot foutieve resultaten en kracht bochten die moeilijker om objectief te analyseren. Als alle bronnen van instabiliteit zijn onderhouden en grafieken soortgelijk aan die getoond in figuur 4 nog aanwezig zijn, kan een andere parameter meet de reden. Andere meet param...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Double-Bubble Epoxy	Hardman	4004
Veeco Tipless Probes	Veeco	NP-O10
Porous Particles	Pearl Therapeutics
Atomic Force Microscope (MFP)	Asylum	MFP-3D
SPIP Scanning Probe Image Processor Software	NanoScience  Instruments
35 mm Coverslips	Asylum	504.003
Tempfix	Ted Pella. Inc.	16030