Het huidige werk beschrijft een methode om te fabriceren micellaire nanokristallen, een opkomende grote klasse van nanobiomaterials. Deze methode combineert topdown electrospray, onderop zelf-assemblage, en op basis van oplosmiddel structuur controle. De fabricage methode is grotendeels continu kan produceren hoogwaardige producten en bezit een goedkoop middel structuur controle.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Fabricage van bolvormig en Worm-vormige micellaire nanokristallen door het combineren van Electrospray, zelf-assemblage en controle van de structuur op basis van oplosmiddel
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Micellaire nanokristallen (micellen met ingekapselde nanokristallen) zijn een opkomende grote klasse van nanobiomaterials geworden. Beschrijven we een methode voor het fabriceren van micellaire nanokristallen op basis van bovenaf electrospray, onderop zelf-assemblage te combineren, en op basis van oplosmiddel structuur. Deze methode houdt het eerst electrospray gebruikt voor het genereren van uniform ultrafijne vloeibare druppeltjes, die fungeert als een micro-reactor waarin zelf-assemblage reactie zelftappende micellaire nanokristallen, met de structuren (micel vorm en nanocrystal optreedt inkapseling) gecontroleerd door de organisch oplosmiddel gebruikt. Deze methode is grotendeels continu en produceert hoogwaardige micellaire nanocrystal producten met een goedkope structuur controle-aanpak. Met behulp van een water-mengbaar organisch oplosmiddel tetrahydrofuraan (THF), kan worm-vormige micellaire nanokristallen worden geproduceerd als gevolg van oplosmiddel-geïnduceerde/vergemakkelijkt micel fusion. In vergelijking met het gemeenschappelijke sferische micellaire nanokristallen, bieden worm-vormige micellaire nanokristallen geminimaliseerde aspecifieke cellulaire opname, waardoor versterkt biologische targeting. Door samen het inkapselen van meerdere nanokristallen in elke micel, kunnen multifunctionele of synergetische effecten worden bereikt. Huidige beperkingen van deze productie-methode, die deel van de toekomstige werkzaamheden uitmaken zullen, omvatten hoofdzakelijk onvolmaakte inkapseling in het micellaire nanocrystal product en het onvolledig continu karakter van het proces.
Inleiding
Nanokristallen zoals halfgeleider quantumdots (QDs) en superparamagnetische ijzeroxide nanodeeltjes (SPIONs) hebben aangetoond grote potentieel voor biologische detectie, imaging en manipulatie therapie1,2, 3,4,5,6. Het inkapselen van een of meer nanokristallen in een micel is een veel gebruikte methode om interface nanokristallen met biologische omgevingen3,6. De aldus gevormde micellaire nanokristallen (micellen met nanokristallen ingekapseld) zijn een opkomende klasse van nanobiomaterials7,,8,,9,10geworden. Veelgebruikte methoden voor het fabriceren van micellen die insluiten van diverse materialen (bijvoorbeeld, nanokristallen, klein molecuul drugs en kleurstoffen) omvatten film hydratatie, dialyse, en verscheidene anderen7,11.
Het huidige werk beschrijft een methode voor het fabriceren van micellaire nanokristallen gebaseerd op zelf-assemblage het combineren van bovenaf electrospray, onderop en oplosmiddel-gemedieerde structurele controle. Vergeleken met andere methoden van de fabricage van micellaire nanokristallen, onze methode biedt diverse nuttige functies: (1) het is een grotendeels continu productieproces. Deze functie is voornamelijk te wijten aan het feit dat electrospray in onze methode wordt gebruikt om te vormen van de emulsie druppels. Daarentegen kunnen een andere methodes vortexing of ultrasoonapparaat emulsie druppels, waardoor deze methoden batchprocessen in aard12vormen. (2) het resulteert in producten met een hoog water-dispersibility, uitstekende colloïdale stabiliteit en intact fysieke functies van de ingekapselde nanokristallen. Dit proces kan geven vaak producten van superieure kwaliteit in vergelijking met andere micel inkapseling methoden, voor een groot deel omdat electrospray ultrafijne en uniforme emulsie druppels kan vormen. (3) de structuren van de producten, met inbegrip van micel vorm en aantal ingekapselde nanokristallen, kunnen worden gecontroleerd door het oplosmiddel, dat veel meer goedkoop vergeleken met andere manieren van besturingselement is zoals het wijzigen van de amfifiele polymeren gebruikt, en kunnen produceren niet alleen de algemeen beschikbare sferische micel vorm maar worm-achtige micel vorm via micel fusion13. De aldus gevormde worm-vormige micellaire nanokristallen zijn gevonden te bieden sterk verminderd aspecifieke cellulaire opname dan de sferische tegenhangers13. Aan de andere kant, is het de moeite waard erop te wijzen dat deze methode vereist de installatie van een apparaat electrospray, dat is wat meer technisch veeleisende (hoewel ver van onbetaalbaar) dan de noodzaak van instrumentatie in de andere methoden.
De fabricage methode wordt eerst het genereren van ultrafijne vloeibare druppeltjes van de (vaak olie-in-water emulsie) met uniforme maten door electrospray, gevolgd door verdamping van organische oplosmiddelen, resulterend in zelf-assemblage te vormen micellaire nanokristallen (Figuur 1 ). De electrospray setup heeft een coaxiale configuratie met behulp van concentrische naalden: de fase van de olie, die bevat amfifiele blokcopolymeren en hydrofobe nanokristallen opgelost in een organisch oplosmiddel, wordt geleverd aan de innerlijke naald (27 G roestvrij staal capillair ) met een spuitpomp; de waterfase, waarin een oppervlakteactieve stof opgelost in water, wordt geleverd aan de buitenste naald (20 G roestvrij staal drieweg aansluiting) met een tweede-spuitpomp. Een hoge spanning wordt toegepast op de coaxiale mondstuk. Ultrafijne druppeltjes met uniforme maten worden gegenereerd als gevolg van Elektrodynamische kracht overwinnen oppervlaktespanning en inertial stress in de vloeistof. Elke druppel in wezen functioneert als een 'micro-reactor', waarin, na verwijdering van het oplosmiddel door verdamping, de zelf-assemblage 'reactie' spontaan optreedt als gevolg van hydrofobe interacties. Met behulp van verschillende organische oplosmiddelen leidt tot verschillende structuren van micellaire nanokristallen: een water-niet mengbaar organisch oplosmiddel chloroform leidt tot sferische micel vorm, terwijl een water-mengbaar organisch oplosmiddel THF met een lange reactietijd tot worm-achtige leidt Micel vorm samen met verbeterde nanocrystal inkapseling.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
Let op: Als gevolg van het gebruik van organische oplosmiddelen, alle bewerkingen moeten gebeuren in een chemische zuurkast. Als gevolg van het gebruik van hoge elektrische spanning, Vermijd contact met het lichaam met het apparaat, wanneer de voeding ingeschakeld is. Gebruik van alle passende veiligheidspraktijken zoals het gebruik van persoonlijke beschermingsmiddelen (veiligheidsbril, handschoenen, laboratoriumjas, full-length broek en schoenen van gesloten-teen). Alle relevante veiligheidsinformatiebladen (MSDS) raadplegen.
1. installatie van materialen
- Los om te bereiden QD oplossing, 10 mg hydrofobe QDs (fluorescerende uitstoot piek golflengte = 605 nm, gebruikt als het model nanokristallen hier) in 20 mL organisch oplosmiddel (chloroform voor het produceren van sferische micel vorm of THF voor het produceren van worm-achtige micel vorm) en Vortex voor 20 s.
- Ter voorbereiding van PS-PEG oplossing, los 100 mg PS-PEG (amfifiele blokcopolymeer, met 9.5 kDA PS segment en 18,0 kDA PEG segment) in 10 mL oplosmiddel (chloroform voor het produceren van sferische micel vorm of THF voor het produceren van worm-achtige micel vorm). Mix de oplossing door de vortexing voor 1 min (chloroform) of bad Bewerk ultrasone trillingen ten gedurende 2 minuten (THF).
- Meng 1 mL QD oplossing en 1 mL PS-PEG oplossing en vortex voor 1 min. het mengsel toevoegen aan spuit A. De spuit is gemaakt van PTFE.
- Ter voorbereiding PVA oplossing, los op 400 mg PVA (13-23 kDa, 87-89% gehydrolyseerd) in 10 mL water in een verwarmd waterbad bij 60-80 ° C voor 4-5 h. toestaan de PVA-oplossing om af te koelen tot kamertemperatuur vóór gebruik.
- Voeg 5 mL van PVA oplossing met spuit B. De spuit is gemaakt van PTFE.
2. installatie van apparatuur
- Het innerlijke capillair invoegen de uiterlijke capillaire vergadering en zachtjes schroef naar de gewenste positie. Niet meer dan draai. Figuur 2 toont de algemene opzet van de coaxiale electrospray systeem. De innerlijke capillaire naald is een 27 G (buitendiameter 500 µm; binnendiameter 300 µm) roestvrij staal capillair en de buitenste naald is een 20 G (buitendiameter 1.000 µm; binnendiameter 500 µm) roestvrij staal drieweg connector. De slang van de PTEE gebruikt heeft een inwendige diameter van 1,8 mm.
- Geladen spuit A op A-spuitpomp zoals afgebeeld in Figuur 2. Sluit spuit A naar het innerlijke roestvrij staal capillair van de electrospray coaxiale verstuiver met behulp van de PTFE-buis.
- Laden spuit B op spuit pomp B zoals weergegeven in Figuur 2. Spuit B verbinden met het buitenste roestvrij staal capillair van de electrospray coaxiale verstuiver met behulp van de PTFE-buis.
- Standpunt de electrospray coaxiale mondstuk tip ca. 0.8 cm boven een geaarde stalen ring (diameter van 1,5 cm).
- Plaats een collectie glazen schotel ongeveer 10 cm onder de coaxiale mondstuk.
- Met de voeding uitgeschakeld, sluit u de grond draad (zwarte draad in Figuur 2) aan de grond gezete stalen ring.
- Met de voeding uitgeschakeld, verbinden met de positieve aansluitklem (rode draad in Figuur 2) van de voeding de innerlijke naald van de coaxiale verstuiver met behulp van een metalen alligator clip.
3. productie van micellaire nanokristallen
- Zet de snelheid van A-spuitpomp naar 0,6 mL/h.
- Zet de snelheid van de spuit pomp B naar 1,5 mL/h.
- Start van beide injectiespuit pompen en wachten op hun respectieve debiet te stabiliseren. DROPS vormen bij het mondstuk met een constante snelheid geven een stabiele debiet. Dit treedt meestal op binnen 60 s na het starten van de injectiespuit pompen.
Opmerking: Moet er geen luchtbellen in de slangen en druppels moeten vormen op de electrospray coaxiale mondstuk. - Zet de voeding aan te passen een positieve hoogspanning op de electrospray coaxiale mondstuk. Aanpassen van de toegepaste spanning binnen het bereik van 5-9 kV, tot een concaaf kegel-jet (dat wil zeggen, een convergente jet, algemeen bekend als een 'kegel van Taylor') wordt waargenomen op het puntje van de coaxiale verstuiver (zoals weergegeven in de inzet van Figuur 3a).
Let op: Zorg dat niet aan te raken electrospray mondstuk wanneer hoge spanning wordt toegepast. Volg passende veiligheidsmaatregelen.
Opmerking: Onvoldoende toegepaste spanning zal resulteren in druppels vormen aan het uiteinde van de verstuiver (zoals weergegeven in de inzet van Figuur 3b), terwijl van de toegepaste spanning te hoog zal veroorzaken een elektrische boog tussen het mondstuk en de geaarde stalen ring. - Nadat een stabiele Taylor kegel (Figuur 3a) heeft verkregen, voeg toe 10 mL gedeïoniseerd water op een schone collectie dish en vervangen van het glas collectie schotel in de setup. Het nieuwe gerecht zal verzamelen de micellaire nanocrystal product.
- Uitvoeren het productieproces micellaire nanocrystal voor een bepaalde tijdsduur (voor ongeveer 40 min voor het produceren van sferische micel vorm of ongeveer 90 min voor het produceren van worm-achtige micel vorm). Verwijder vervolgens de collectie schotel uit onder de electrospray mondstuk.
- Stop-spuitpomp A en B.
- Schakel de voeding van de hoogspanning.
- Het organische oplosmiddel te verdampen (in een zuurkast) 's nachts van de schotel onbedekt collectie toestaan.
Opmerking: Afgaande op de resultaten van de karakterisering van de micellaire nanocrystal producten, is verdamping 's nachts voldoende voor het verwijderen van de organische oplosmiddelen wordt gebruikt om op te halen van producten met een goede kwaliteit. - Daarna kopieert u de micellaire nanocrystal product naar een centrifugebuis 15 mL voor karakterisering (b.v., fluorescerende spectroscopie, Dynamische lichtverstrooiing, transmissie-elektronenmicroscopie en thermische analyse), toepassing of opslag. Het laatste micellaire nanocrystal produkt opslaat in een koelkast bij 4 ° C.
Opmerking: Het product kan blijven stabiel onder deze voorwaarde van de opslag voor ten minste één maand.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Figuur 1 toont een schematische samenvatting van de controle van structuren (vorm en inkapseling) van micellaire nanokristallen door de organische oplosmiddelen wordt gebruikt in het productieproces. Kort, dichloormethaan leidt tot sferische micellen met geen inkapseling van nanokristallen; chloroform leidt tot sferische micellen met een lage inkapseling aantal nanokristallen; THF leidt tot sferische micellen met een hoge inkapseling aantal nanokristallen op ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
De fabricage methode van micellaire nanokristallen beschreven in het huidige werk combineert topdown electrospray, onderop zelf-assemblage en oplossingsmiddelen gebaseerde structuur bepalen. Een effectief en handig kwaliteitscontrole-methode is het gebruik van de Taylor kegel gevormd op het puntje van de coaxiale mondstuk. Dit is omdat een goed gevormde Taylor kegel evenwicht aangeeft (of in de buurt van evenwicht) tussen elektrische kracht en oppervlaktespanning, die op zijn beurt geeft aan succesvolle vorming van micro...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
De auteurs mijn dankbaarheid uitspreken voor de financiële steun van een "Duizend Young Global talenten" award van de Chinese centrale overheid, een "Shuang Chuang" award van de provinciale regering Jiangsu, startfonds, gevormd uit College voor techniek en toegepaste Wetenschappen, Universiteit Nanjing, China, award van de "Tian-Di" Stichting subsidie uit de prioriteit academische programma ontwikkeling Fonds van Jiangsu hogeronderwijs instellingen (PAPD), verlenen uit het Fonds voor Natuurwetenschappen provincie Jiangsu.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Hydrofobe kwantumdots | Ocean Nanotech | QSP | Vaste hydrofobe CdSe/ZnS kwantumdots. De golflengte van de piekfluorescentie-emissie is 605 nm. |
| Poly(styreen)-b-poly(ethyleenglycol) (PS-PEG) | Sigma-Aldrich | 666476-500MG | Molecuulgewicht van het PS-segment is 9,5 kDa en dat van het PEG-segment is 18,0 kDa. |
| Poly(vinylalcohol) (PVA) | Sigma-Aldrich | 363170-500G | Molecuulgewicht 13–23 kDa, 87–89% gehydrolyseerd. |
| Tetrahydrofuraan (THF) | Sinopharma Chemical Reagent | 80124418 | |
| Chloroform | Sinopharma Chemical Reagent | 40007960 | |
| Spuitpompen | Bao Ding Shen Chen | SPLab01 | |
| Slangen | Shanghei Lai Xing | PTFE-slang met een buitendiameter van 2 mm en een binnendiameter van 1,8 mm. | |
| Spuiten | Yi Ming | 5.CC | 5 mL wegwerpspuit gemaakt van PTFE. |
| Hoogspanningsvoeding | Dong Wen | DW Series | Gelijkstroomvoeding (0–50 kV-bereik). |
| Elektrospray-coaxiale mondstuk | Hunan Chang Sha Na Yi | Roestvrijstalen montage. De binnenste capillaire naald was een 27 gauge (buitendiameter 500 μm; binnendiameter 300 μm). De buitenste capillair was een 20 gauge (buitendiameter 1.000 μm; binnendiameter 500 μm). | |
| Vortexer | Xi'an HEB Biotechnology Co., Ltd. China | MX-S | MX-S met een breed snelheidsbereik van 0–2.500 tpm, traploze snelheidsregeling, aanraking en continue werking. |
| Stalen ring | Yiwu Wan Tu | Er kunnen ringen met een diameterbereik (0,8–1,8 cm) worden geconstrueerd. Bijvoorbeeld, een ring met een diameter van 1,3 cm werd geconstrueerd door een ongeveer 25 cm (lengte) van 0,5-mm diameter (24 gauge, AWG) staaldraad op te rollen. | |
| Glazen verzamelbakje | Grainger | 1u5084 | Glazen bakje met een hoogte van 25 mm en een diameter van 120 mm. |
| 15 mL centrifugeerbuisje | Jiangsu Xinkang Medical Instrument Co., Ltd. | X-407 | Centrifugebuisje is gemaakt van transparant polypropyleen (PP). |
Referenties
- Nie, S., Xing, Y., Kim, G. J., Simons, J. W. Nanotechnology Applications in Cancer. Annu. Rev. Biomed. Eng. 9, 257-288 (2007).
- Smith, A. M., Ruan, G., Rhyner, M. N., Nie, S. M. Engineering Luminescent Quantum Dots for In Vivo Molecular and Cellular Imaging. Annals Biomed. Eng. 34 (1), 3-14 (2006).
- Heath, J. R., Davis, M. E. Nanotechnology and Cancer. Annu. Rev. Medicine. 59, 251-265 (2008).
- Pu, K., Chattopadhyay, N., Rao, J. Recent advances of semiconducting polymer nanoparticles in in vivo molecular imaging. J. Control. Release. 240, 312-322 (2016).
- Swierczewska, M., Han, H. S., Kim, K., Park, J. H., Lee, S. Polysaccharide-based nanoparticles for theranostic nanomedicine. Adv. Drug Deliv. Rev. 99, 70-84 (2016).
- Gao, X. H., Yang, L. L., Petros, J. A., Marshal, F. F., Simons, J. W., Nie, S. M. In vivo molecular and cellular imaging with quantum dots. Curr. Opin. Biotechnol. 16 (1), 63-72 (2005).
- Dubertret, B., Skourides, P., Norris, D. J., Noireaux, V., Brivanlou, A. H., Libchaber, A. In vivo imaging of quantum dots encapsulated in phospholipid micelles. Science. 298 (5599), 1759-1762 (2002).
- Ruan, G., et al. Simultaneous magnetic manipulation and fluorescent tracking of multiple individual hybrid nanostructures. Nano Lett. 10 (6), 2220-2224 (2010).
- Ruan, G., Winter, J. O. Alternating-color quantum dot nanocomposites for particle tracking. Nano Lett. 11 (3), 941-945 (2011).
- Park, J. H., von Maltzahn, G., Ruoslahti, E., Bhatia, S. N., Sailor, M. J. Micellar hybrid nanoparticles for simultaneous magnetofluorescent imaging and drug delivery. Angewandte Chemie-International Edition. 47 (38), 7284-7288 (2008).
- Torchilin, V. P. PEG-based micelles as carriers of contrast agents for different imaging modalities. Adv. Drug Deliv. Rev. 54 (2), 235-252 (2002).
- Sun, Y., et al. Examining the roles of emulsion droplet size and surfactant in the interfacial instability-based fabrication process of micellar nanocrystals. Nanoscale Research Letters. 12, 434(2017).
- Ding, X. Y., Han, N., Wang, J., Sun, Y. X., Ruan, G. Effects of organic solvents on the structures of micellar nanocrystals. RSC Advances. 7 (26), 16131-16138 (2017).
- Sailor, M., Park, J. Hybrid nanoparticles for detection and treatment of cancer. Adv. Materials. 24 (28), 3779-3802 (2012).
- Jing, L. H., Ding, K., Kershaw, S. V., Kempson, T. M., Rogach, A. L., Gao, M. Y. Magnetically engineered semiconductor quantum dots as multimodal imaging probes. Adv. Materials. 26 (37), 6367-6386 (2014).
- Bao, G., Mitragotri, S., Tong, S. Multifunctional nanoparticles for drug delivery and molecular imaging. Annu. Rev. Biomed. Eng. 15, 253-282 (2013).
- Mura, S., Couvreur, P. Nanotheranostics for personalized medicine. Adv. Drug Delivery Rev. 64 (13), 1394-1416 (2012).
- Louie, A. Y. Multimodality imaging probes: design and challenges. Chem. Rev. 110 (5), 3146-3195 (2010).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
