Dit artikel presenteert een protocol voor de productie van eiwit-gebaseerde nanodeeltjes dat het hydrofobe oppervlak verandert in hydrofiel. De geproduceerde nanodeeltje is een samenstelling van gliadin-cyanoacrylaat diblock copolymeren. Spuitcoaten met de geproduceerde nanodeeltje verandert het oppervlak van het doelmateriaal in een hydrofiel oppervlak.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Een protocol voor de productie van Gliadin-cyanoacrylaat nanopartikels voor hydrofiele coating
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Dit artikel een protocol voor de bereiding van op eiwit gebaseerde nanopartikels die het hydrofobe oppervlak hydrofiel verandert met gewone sproeibekleding. Deze nanodeeltjes worden gevormd door de polymerisatiereactie van alkyl cyanoacrylaat op het oppervlak van graaneiwit (gliadine) moleculen. Alkyl cyanoacrylaat is een monomeer dat onmiddellijk polymeriseert bij kamertemperatuur wanneer het wordt aangebracht op het oppervlak van materialen. De polymerisatiereactie wordt geïnitieerd door de sporen van basische of zwak nucleofiele species op het oppervlak, zoals vocht. Eenmaal gepolymeriseerd, de gepolymeriseerde alkyl cyanoacrylaten vertonen een sterke affiniteit met het doel materialen omdat nitrilgroepen in de hoofdketen van poly (alkyl cyanoacrylaat). Eiwitten ook werken als initiator voor polymerisatie omdat dit aminegroepen die de polymerisatie kan initiëren van cyanoacrylaat bevatten. Indien geaggregeerd eiwit wordt gebruikt als een initiator, wordt proteïneaggregaat omringd door hydrofobepoly (alkyl cyanoacrylaat) ketens na de polymerisatiereactie van alkyl cyanoacrylaat. Door het beheersen van de experimentele conditie worden deeltjes in de nanometer range geproduceerd. De geproduceerde nanodeeltjes gemakkelijk adsorberen op het oppervlak van de meeste materialen zoals glas, metaal, plastic, hout, leer en textiel. Wanneer het oppervlak van een materiaal in aanraking komt met de geproduceerde nanodeeltjes suspensie en gespoeld met water, de micellaire structuur van nanodeeltjes conformatie verandert, en de hydrofiele eiwitten blootgesteld aan de lucht. Hierdoor de nanodeeltjes gecoate oppervlak hydrofiel verandert.
Inleiding
Het doel van dit artikel is om het protocol voor de bereiding van nanodeeltjessuspensie te laten zien, die de bevochtigingseigenschap van materialen wijzigt door een eenvoudige spray. De gepresenteerde nanodeeltjessuspensie is gemaakt van alkylcyanoacrylaat1 en een graanproteïne, gliadine2,3. Tijdens het fabricageproces worden eiwitaggregaten gevormd in waterige ethanol4. De daaropvolgende reactie met monomeer (alkylcyanoacrylaat) produceert het nanodeeltje dat bestaat uit een eiwitkern omgeven door lineaire polymeerketens [poly(alkylcyanoacrylaat)]5.
Poly(alkylcyanoacrylaat)s zijn biologisch afbreekbaar en zijn gebruikt voor de productie van nanodeeltjes via emulsiepolymerisatie6. Deze reactie wordt spontaan geïnitieerd door de hydroxylgroepen die worden afgesplitst van water of door andere nucleofiele groepen in het reactiemedium7. In het geval van de in dit artikel gepresenteerde reactie, initieren de aminegroepen op het oppervlak van eiwitaggregaten de polymerisatiereactie van alkylcyanoacrylaat monomeren5,8. Als gevolg van deze reactie worden nanodeeltjes gevormd in het reactiemedium. De kern van het nanodeeltje bestaat uit eiwitaggregaten en de buitenste laag bestaat uit poly(alkylcyanoacrylaat) (PACA) ketens. Het bereide nanodeeltje heeft een sterke affiniteit voor de meeste materialen (nauwkeuriger gezegd, elk materiaal waar PACA zich aan kan hechten) en hecht zich aan hun oppervlak om een dunne coating op nanometerschaal te vormen. Een eenvoudige spraycoating maakt het oppervlak van de materialen direct hydrofiel.
Gliadine is een van de belangrijkste fracties van gluten, dat zich in de endosperm van tarwe bevindt. Gliadinen zijn voornamelijk monomere eiwitten met molecuulgewichten rond de 28.000 - 55.000. Niet-covalente bindingen zoals waterstofbindingen, ionaire bindingen en hydrofobe bindingen zijn verantwoordelijk voor de aggregatie van gliadinen2. Hoewel gliadine in dit artikel als reactant wordt gekozen, kunnen ook veel andere eiwitten voor hetzelfde doel worden gebruikt. De reactieconditie moet echter dienovereenkomstig worden gewijzigd, omdat de voorwaarde voor het induceren van aggregatie afhankelijk is van het type eiwit dat wordt gebruikt8. Vergeleken met andere eiwitten is gliadine gemakkelijker verkrijgbaar, zuivering is eenvoudig en de productiekosten zijn laag. Hoewel ethylcyanoacrylaat (ECA) als monomeer voor de gepresenteerde reactie is gekozen, kunnen ook andere alkylcyanoacrylaten voor dezelfde reactie worden gebruikt. De reden voor het kiezen van ECA is dat het gemakkelijk verkrijgbaar is tegen lage kosten.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Ontvetten Commercial Gliadin
- Meet 150 ml van aceton met een maatcilinder en giet het in 250 ml erlenmeyer.
- Onder roeren met een rotatie bar op een magnetische roerder bij kamertemperatuur, voeg 30 g commerciële gliadine poeder. Sluit de opening van de kolf in aluminiumfolie, en blijf roeren O / N op de motorkap.
- Filtreren de oplossing met een papieren filter.
- Was het filtraat met verse aceton (ca. 50 ml). Laat gedurende 10 minuten staan om de aceton te voeren.
- Breng het filtraat met het filtreerpapier onder een grote schaal, zoals een celkweek vierkante schotel. Het gehele schaal met een grote filtreerpapier te vertragen verdamping resterend aceton.
- Laat het filtraat volledig opdrogen in de kap O / N. Bewaar de ontvette gliadine in een luchtdichte container bij kamertemperatuur.
2. Bereiding van gezuiverde Gliadin
- Meet 150 ml water met een maatcilinder en giet het in 1000 ml erlenmeyer.
- Meet 350 ml absolute ethanol met een puinhoop cilinder en giet het in hetzelfde 1000 ml erlenmeyer. Roer krachtig (800 - 1000 rpm) met een rotatie bar tot geen bel wordt gegenereerd uit de oplossing mengsel.
- Voeg al roerend 20 g ontvet commercieel gliadine poeder. gliadine in kleine hoeveelheden tegelijk toevoegen om klontvorming dat lucht in het midden bevat vermijden. Blijf roeren O / N.
- Breng de gehele oplossing voor een 1000 ml puinhoop cilinder. Laat staan voor twee dagen. Gedurende deze tijd zullen verontreinigingen worden neergeslagen op de bodem van de cilinder.
- Breng de bovenstaande een rotatieverdamper met een pipet, en verwijder de ethanol uit het supernatant zoveel mogelijk. Als het percentage ethanol wordt verlaagd, wordt weergegeven gliadine in de oplossing als aggregaat.
- Bevries de oplossing bevattende gliadine aggregaten door onderdompeling / draaien in methanol/ Droogijs mengsel en vriesdrogen bij -70 ° C onder vacuüm. Voordat vriesdrogen, zorg ervoor dat de gehele oplossing wordt ingevroren zonder vloeistof.
OPMERKING: De gevriesdroogde gliadine zal een poreuze vaste stof te vormen. - Plet de gevriesdroogde gliadine met een mortier en een stamper, en maal met een koffiemolen tot een boete vermogen (<0,5 mm) te verkrijgen. Overbrengen in een luchtdichte container en bewaar bij kamertemperatuur.
3. polymerisatiereactie van ECA met Gliadin
- Plaats een scintillatieflesje (volume ongeveer 20 ml) in een weegschaal en tarra. Voeg 3,2 g gedestilleerd water en 6,8 g absolute ethanol in de scitillation flacon.
- Verplaats de scintillatieflesje op een magnetische roerder, liep magnetische spin bar (20 x 3 mm) in de flacon en krachtig roeren (800 - 1000 rpm) totdat er geen luchtbel wordt gegenereerd uit het waterige ethanol mengsel.
- Voeg 40 gl 4 N HCl in de flacon onder roeren. Voeg 20 mg van gliadine in de flacon, terwijl sti Rring en blijf roeren tot gliadine poeder volledig is opgelost in de waterige ethanol mengsel.
- Na ervoor te zorgen dat de gliadine oplossing helder is voor het blote oog, voeg langzaam 80-100 ul van ECA terwijl roeren snelheid is nog steeds 800 - 1000 rpm.
- Verlaag de roersnelheid tot 500 opm en verder roeren gedurende 1 uur. Naarmate de reactie verloopt, nemen troebelheid wat aangeeft dat de polymerisatiereactie wordt uitgevoerd.
- Wanneer de reactie wordt beëindigd en spoel de in centrifugebuizen, en de balans het gewicht van de buizen. Centrifugeer het reactieproduct bij 10.000 xg gedurende 20 min. Gedurende deze tijd bijproduct precipitaten en nanodeeltjes blijven de supernantant. De belangrijkste component van bijproduct is PACA homopolymeer.
- Na de centrifuge, de overdracht van de geproduceerde nanodeeltjes suspensie (supernatant) met een pipet om een scintillatieflesje (of een luchtdichte verpakking), en het op kamertemperatuur.
- Bereid 10 g 68 gew% waterige ethanol door mengen 3,2 g water en 6,8 g absolute ethanol in 20 ml scintillatieflesje en roer tot geen bel wordt gegenereerd uit de oplossing mengsel.
- Voeg 40 gl 4 N HCl oplossing mengsel onder roeren. Voeg 50 ul van nanodeeltjes suspensie tot de bereide ethanoloplossing onder roeren.
- Meten van de grootte van nanodeeltjes met Dynamic Light Scattering (DLS) met de monsteroplossing hierboven bereide en de instructies van de fabrikant.
OPMERKING: De grootte van het eindproduct kleiner dan 200 nm. Als het groter is dan 200 nm, zal het produkt niet stabiel zijn gedurende langere tijd. Grotere nanodeeltjes worden geproduceerd wanneer de arbeidskorting ECA is niet vers.
5. Onderzoek van het Product
- Bereid een glazen plaat, zoals een handspiegel. Was het oppervlak van de glazen plaat met water en zeep. Rinse het oppervlak van de glazen plaat met stromend water. Droog het gereinigde oppervlak of zonder drogen de volgende stap.
- Spuit de nanodeeltjes suspensie verkregen 3,6) op een deel van de glasplaat en afspoelen van het oppervlak met direct stromend water.
- Spray zuiver water op het oppervlak van de glazen plaat. Let op de gecoate (besproeid met nanodeeltjes schorsing) hold oppervlaktewater laag, terwijl de niet-gecoate oppervlak is duidelijk.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Nanodeeltjes kunnen worden bereid in verschillende reactieomstandigheden. Gliadine vormen aggregeren in brede waaier van ethanol inhoud 5. De omvang van aggregaten moet zo klein mogelijk zijn omdat een extra laag (bijv., Gepolymeriseerde ECA) worden toegevoegd bij het aggregaat en dit proces zal de uiteindelijke grootte groter te maken. Indien de uiteindelijke grootte van de deeltjes te groot is, zal het deeltje onstabiel en wordt gemakkelijk neergeslagen. Daarom we...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Er zijn verschillende cruciale stappen in de productie van de nanodeeltjessuspensie. Als het gezuiverde gliadin besmettingen bevat, zal de reactie met ECA nevenproducten produceren. Hoewel deze ongewenste producten kunnen worden verwijderd uit het reactiemedium tijdens de centrifugeringsfase, verlaagt dit de opbrengst van het hoofdproduct. Als de gliadin-oplossing die is bereid tijdens experimentele stap 2.3) na twee dagen geen duidelijke scheiding tussen supernatant en precipitaat vertoont, moet de oplossing langer staa...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
Vermelding van handelsnamen of commerciële producten in deze publicatie is uitsluitend bedoeld om specifieke informatie te verstrekken en impliceert geen aanbeveling of goedkeuring door het Amerikaanse ministerie van Landbouw. USDA is een gelijke kansenaanbieder en werkgever.
Dankbetuigingen
Met dank aan de heer Jason Adkins voor deskundige technische bijstand.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Ethyl cyanoacrylate (ECA) monomeer | K&R International (Laguna Niguel, CA) | I-1605 | Elk zuiver ECA kan worden gebruikt. |
| Gliadin | MGP Ingredients, Inc (Atchison, KS) | Gift van het bedrijf | Gliadin kan worden gekocht bij Sigma-Aldrich (cat #: G3375-25G). In plaats van gliadin kan elk commercieel gluten worden gebruikt. |
| HCl | Elk | Elk chemisch reagens kan worden gebruikt. | |
| Aceton | Elk | Elk chemisch reagens kan worden gebruikt. | |
| Methanol | Elk | Elk chemisch reagens kan worden gebruikt. | |
| Ethanol (100%) | Elk | Elk chemisch reagens kan worden gebruikt. | |
| Filterpapier | Elk | Elk filterpapier van groter dan 10 cm kan worden gebruikt. | |
| Vierkante celkweekbakje | Elk | Elk bakje groter dan 20 x 20 cm kan worden gebruikt. | |
| Koffiemolen | Elk | Elke koffiemolen kan worden gebruikt. | |
| Rotatieverdamper | Elk | Elke rotatieverdamper kan worden gebruikt. | |
| Vriesdroger | Elk | Elke vriesdroger die -70 °C kan bereiken, kan worden gebruikt. | |
| Centrifuge | Elk | Elke centrifuge die 1.000 x g kan toepassen, kan worden gebruikt. | |
| Magneetsche roerder | Elk | Elke magneetsche roerder die de spinbar tot 1.000 rpm kan laten draaien, kan worden gebruikt. | |
| Dynamische lichtverstrooiing (DLS) | Brookhaven Instruments Corporation | NanoBrook Omni Zeta Potentiaal Analyzer | DLS van elk bedrijf kan worden gebruikt. |
| Scannende elektronenmicroscoop (SEM) | Carl Zeiss Inc. | Elke SEM kan worden gebruikt. | |
| Dynamische contacthoek (DCA) | Thermo Cahn Instruments | Elke DCA kan worden gebruikt. |
Referenties
- Vauthier, C., Dubernet, C., Fattal, E., Pinto-Alphandary, H., Couvreur, P. Poly(alkylcyanoacrylates) as biodegradable materials for biomedical applications. Adv. Drug Deliver. Rev. 55, 519-548 (2003).
- Wieser, H. Chemistry of gluten proteins. Food Microbiol. 24, 115-119 (2007).
- Bietz, J. A., Wall, J. S. Identity of high molecular weight gliadin and ethanol soluble glutenin subunits of wheat: Relation to gluten structure. Cereal Chem. 57, 415-421 (1980).
- Kim, S. Production of composites by using gliadin as a bonding material. J. Cereal Sci. 54, 168-172 (2011).
- Kim, S., Kim, Y. Production of gliadin-poly(ethyl cyanoacrylate) nanoparticles for hydrophilic coating. J. Nanopart. Res. 16, 1-10 (2014).
- Behan, N., Birkinshaw, C., Clarke, N. Poly n-butyl cyanoacrylate nanoparticles: a mechanistic study of polymerisation and particle formation. Biomaterials. 22, 1335-1344 (2001).
- Nicolas, J., Couvreur, P. Synthesis of poly(alkyl cyanoacrylate)-based colloidal nanomedicines. Wiley Interdiscip. Rev. Nanomed. Nanobiotechnol. 1, 111-127 (2009).
- Kim, S., Evans, K., Biswas, A. Production of BSA-poly(ethyl cyanoacrylate) nanoparticles as a coating material that improves wetting property. Colloid Surface. B. 107, 68-75 (2013).
- Lander, L. M., Siewierski, L. M., Brittain, W. J., Vogler, E. A. A systematic comparison of contact angle methods. Langmuir. 9, 2237-2239 (1993).
- Davies, J., Nunnerley, C. S., Brisley, A. C., Edwards, J. C., Finlayson, S. D. Use of Dynamic Contact Angle Profile Analysis in Studying the Kinetics of Protein Removal from Steel Glass, Polytetrafluoroethylene, Polypropylene, Ethylenepropylene Rubber, and Silicone Surfaces. J. Colloid Interf. Sci. 182, 437-443 (1996).
- Giolando, D. M. Nano-crystals of titanium dioxide in aluminum oxide: A transparent self-cleaning coating applicable to solar energy. Sol. Energy. 97, 195-199 (2013).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
