Artykuł metodologiczny

Wytwarzanie sferycznych i ślimakowatych nanokryształów micelarnych poprzez połączenie elektrorozpylania, samoorganizacji i kontroli struktury na bazie rozpuszczalnika

20.8K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/56657

⸱

11 lutego 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, College of Engineering and Applied Sciences, Nanjing University, 2Institute of Materials Engineering, College of Engineering and Applied Sciences, Nanjing University, 3Collaborative Innovation Center of Chemistry for Life Sciences, Nanjing University, 4Department of Chemistry, Western Washington University

W tym artykule

Podsumowanie

Niniejsza praca opisuje metodę wytwarzania nanokryształów micelarnych, wyłaniającej się głównej klasy nanobiomateriałów. Ta metoda łączy w sobie elektronatryskiwanie od góry do dołu, samoorganizację od dołu do góry i kontrolę struktury na bazie rozpuszczalnika. Metoda wytwarzania jest w dużej mierze ciągła, może wytwarzać produkty wysokiej jakości i posiada niedrogie środki kontroli struktury.

Streszczenie

Nanokryształy micelarne (micele z zamkniętymi nanokryształami) stały się wyłaniającą się główną klasą nanobiomateriałów. Opisujemy metodę wytwarzania nanokryształów micelarnych opartą na połączeniu elektrorozpylania od góry do dołu, samoorganizacji od dołu do góry i kontroli struktury za pomocą rozpuszczalnika. Metoda ta polega najpierw na użyciu elektrorozpylania w celu wytworzenia jednorodnych ultradrobnych kropelek cieczy, z których każda pełni funkcję mikroreaktora, w którym zachodzi reakcja samoorganizacji, w wyniku której powstają nanokryształy micelarne, których struktury (kształt miceli i enkapsulacja nanokryształów) są kontrolowane przez zastosowany rozpuszczalnik organiczny. Metoda ta jest w dużej mierze ciągła i pozwala uzyskać wysokiej jakości produkty micelarne z niedrogim podejściem do kontroli struktury. Dzięki zastosowaniu mieszalnego z wodą rozpuszczalnika organicznego tetrahydrofuranu (THF) można wytworzyć nanokryształy micelarne w kształcie robaka w wyniku indukowanej/ułatwionej fuzji miceli. W porównaniu ze zwykłymi sferycznymi nanokryształami micelarnymi, nanokryształy micelarne w kształcie robaka mogą oferować zminimalizowany niespecyficzny wychwyt komórkowy, zwiększając w ten sposób celowanie biologiczne. Poprzez współkapsułkowanie wielu nanokryształów w każdej miceli można osiągnąć wielofunkcyjne lub synergiczne efekty. Obecne ograniczenia tej metody wytwarzania, która będzie częścią przyszłych prac, obejmują przede wszystkim niedoskonałą enkapsulację w produkcie micelarnym nanokrystalicznym oraz niecałkowicie ciągły charakter procesu.

Wprowadzenie

Nanokryształy, takie jak półprzewodnikowe kropki kwantowe (QD) i superparamagnetyczne nanocząstki tlenku żelaza (SPIONs) wykazały ogromny potencjał w zakresie biologicznego wykrywania, obrazowania, manipulacji i terapii1,2,3,4,5,6. Enkapsulacja jednego lub więcej nanokryształów w miceli jest szeroko stosowaną metodą łączenia nanokryształów ze środowiskami biologicznymi3,6. Powstałe w ten sposób nanokryształy micelarne (micele z zamkniętymi w obudowie nanokryształami) stały się wyłaniającą się klasą nanobiomateriałów7,8,9,10. Powszechnie stosowane metody wytwarzania miceli, które zawierają różne materiały (np. nanokryształy, leki małocząsteczkowe i barwniki) obejmują hydratację filmu, dializy i kilka innych7,11.

Niniejsza praca opisuje metodę wytwarzania nanokryształów micelarnych opartą na połączeniu elektrorozpylania od góry do dołu, samoorganizacji od dołu do góry i kontroli strukturalnej za pośrednictwem rozpuszczalnika. W porównaniu z innymi metodami wytwarzania nanokryształów micelarnych, nasza metoda oferuje kilka korzystnych cech: (1) Jest to w dużej mierze ciągły proces produkcyjny. Cecha ta wynika głównie z faktu, że w naszej metodzie stosuje się elektrospray do tworzenia kropelek emulsji. W przeciwieństwie do tego, niektóre inne metody wykorzystują wirowanie lub sonikację do tworzenia kropelek emulsji, co sprawia, że metody te są procesami wsadowymi w nature12. (2) Skutkuje to produktami o wysokiej dyspergowalności w wodzie, doskonałej stabilności koloidalnej i nienaruszonych funkcjach fizycznych zamkniętych nanokryształów. Proces ten może często dawać produkty o wyższej jakości w porównaniu z innymi metodami enkapsulacji miceli, w dużej mierze dlatego, że elektrospray może tworzyć bardzo drobne i jednolite kropelki emulsji. (3) Struktury produktów, w tym kształt miceli i liczba zamkniętych w kapsułkach nanokryształów, mogą być kontrolowane przez rozpuszczalnik, który jest znacznie tańszy w porównaniu z innymi sposobami kontroli, takimi jak zmiana zastosowanych polimerów amfifilowych, i może wytworzyć nie tylko powszechnie dostępny sferyczny kształt miceli, ale także kształt miceli podobny do robaka poprzez fuzję micel13. Stwierdzono, że powstałe w ten sposób nanokryształy micelarne w kształcie robaka oferują znacznie zmniejszony niespecyficzny wychwyt komórkowy niż kuliste odpowiedniki13. Z drugiej strony warto podkreślić, że metoda ta wymaga ustawienia urządzenia do elektronatryskiwania, co jest nieco bardziej wymagające technicznie (choć dalekie od wygórowanych) niż potrzeba oprzyrządowania w innych metodach.

Metoda wytwarzania polega najpierw na generowaniu ultradrobnych kropelek cieczy (często emulsji typu olej w wodzie) o jednakowych rozmiarach za pomocą elektrorozpylania, a następnie odparowaniu rozpuszczalnika organicznego, co prowadzi do samoorganizacji w celu utworzenia nanokryształów micelarnych (Rysunek 1). Zestaw do elektronatryskiwania ma konfigurację współosiową za pomocą koncentrycznych igieł: faza olejowa, która zawiera amfifilowe kopolimery blokowe i hydrofobowe nanokryształy rozpuszczone w rozpuszczalniku organicznym, jest dostarczana do wewnętrznej igły (kapilara ze stali nierdzewnej 27 G) za pomocą pompy strzykawkowej; Faza wodna, która zawiera środek powierzchniowo czynny rozpuszczony w wodzie, jest dostarczana do zewnętrznej igły (trójdrożne złącze 20 G ze stali nierdzewnej) za pomocą drugiej pompy strzykawkowej. Do dyszy koncentrycznej doprowadzane jest wysokie napięcie. Najdrobniejsze kropelki o jednakowych rozmiarach powstają w wyniku siły elektrodynamicznej pokonującej napięcie powierzchniowe i naprężenia bezwładnościowe w cieczy. Każda kropla zasadniczo funkcjonuje jako "mikroreaktor", w którym, po usunięciu rozpuszczalnika organicznego przez odparowanie, "reakcja" samoorganizacji zachodzi spontanicznie w wyniku oddziaływań hydrofobowych. Stosowanie różnych rozpuszczalników organicznych prowadzi do różnych struktur nanokryształów micelarnych: niemieszający się z wodą rozpuszczalnik organiczny chloroform prowadzi do kulistego kształtu miceli, podczas gdy mieszalny z wodą rozpuszczalnik organiczny THF o długim czasie reakcji prowadzi do robakowatego kształtu miceli wraz ze wzmocnioną enkapsulacją nanokryształów.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Uwaga: Ze względu na użycie rozpuszczalników organicznych, wszystkie operacje powinny być wykonywane w dygestoriach chemicznych. Ze względu na zastosowanie wysokiego napięcia elektrycznego należy unikać kontaktu ciała z urządzeniem, gdy zasilanie jest włączone. Stosuj wszystkie odpowiednie praktyki bezpieczeństwa, takie jak stosowanie środków ochrony osobistej (okulary ochronne, rękawice, fartuch laboratoryjny, długie spodnie i buty z zakrytymi palcami). Zapoznaj się ze wszystkimi odpowiednimi kartami charakterystyki substancji niebezpiecznych (MSDS).

1. Konfiguracja materiałów

  1. Aby przygotować roztwór QD, rozpuść 10 mg hydrofobowych QD (szczytowa długość fali emisji fluorescencyjnej = 605 nm, użyte tutaj jako modelowe nanokryształy) w 20 ml rozpuszczalnika organicznego (chloroform do wytwarzania sferycznego kształtu miceli lub THF do wytwarzania kształtu miceli przypominającego robaka) i wirować przez 20 s.
  2. Aby przygotować roztwór PS-PEG, należy rozpuścić 100 mg PS-PEG (amfifilowy kopolimer blokowy, z segmentem PS 9,5 kDA i segmentem PEG 18,0 kDA) w 10 ml rozpuszczalnika organicznego (chloroform do wytwarzania kulistego kształtu miceli lub THF do wytwarzania kształtu przypominającego robaka). Mieszać roztwór przez wirowanie przez 1 minutę (chloroform) lub sonikować w kąpieli przez 2 minuty (THF).
  3. Wymieszać 1 ml roztworu QD i 1 ml roztworu PS-PEG i wirować przez 1 minutę. Dodać mieszaninę do strzykawki A. Strzykawka wykonana jest z PTFE.
  4. Aby przygotować roztwór PVA, rozpuść 400 mg PVA (13-23 kDa, 87-89% hydrolizaty) w 10 ml wody w podgrzewanej łaźni wodnej o temperaturze 60–80 °C przez 4–5 godzin. Przed użyciem poczekaj, aż roztwór PVA ostygnie do temperatury pokojowej.
  5. Dodać 5 ml roztworu PVA do strzykawki B. Strzykawka wykonana jest z PTFE.

2. Konfiguracja sprzętu

  1. Włóż wewnętrzną kapilarnę do zewnętrznego zespołu kapilary i delikatnie przykręć. Nie dokręcaj zbyt mocno. Rysunek 2 pokazuje ogólną konfigurację współosiowego systemu elektronatrysku. Wewnętrzna igła kapilarna to kapilara ze stali nierdzewnej o gramaturze 27 G (średnica zewnętrzna 500 μm; średnica wewnętrzna 300 μm), a zewnętrzna igła to trójdrożne złącze ze stali nierdzewnej o gramaturze 20 G (średnica zewnętrzna 1 000 μm; średnica wewnętrzna 500 μm). Zastosowana rurka PTEE ma średnicę wewnętrzną 1,8 mm.
  2. Załaduj strzykawkę A na pompę strzykawkową A, jak pokazano na Rysunek 2. Podłączyć strzykawkę A do wewnętrznej kapilary ze stali nierdzewnej dyszy koncentrycznej elektronatrysku za pomocą rurki PTFE.
  3. Załaduj strzykawkę B na pompę strzykawkową B, jak pokazano na Rysunek 2. Podłączyć strzykawkę B do zewnętrznej kapilary ze stali nierdzewnej dyszy koncentrycznej elektronatrysku za pomocą rurki PTFE.
  4. Umieść końcówkę dyszy koncentrycznej elektronatrysku około 0.8 cm nad uziemionym stalowym pierścieniem (średnica 1.5 cm).
  5. Umieść szklane naczynie zbiorcze około 10 cm poniżej dyszy koncentrycznej.
  6. Przy wyłączonym zasilaczu podłącz przewód uziemiający (przewód w Rysunek 2) do uziemionego stalowego pierścienia.
  7. Przy wyłączonym zasilaczu podłącz dodatni zacisk (czerwony przewód w Rysunek 2) zasilacza do wewnętrznej igły dyszy koncentrycznej za pomocą metalowego zacisku krokodylkowego.

3. Produkcja nanokryształów micelarnych

  1. Ustaw prędkość pompy strzykawkowej A na 0,6 ml/h.
  2. Ustaw prędkość pompy strzykawkowej B na 1,5 ml/h.
  3. Uruchomić obie pompy strzykawkowe i poczekać, aż ich odpowiednie natężenia przepływu ustabilizują się. Krople tworzące się na dyszy ze stałą prędkością wskazują na stabilne natężenie przepływu. Zwykle dzieje się to w ciągu 60 s po uruchomieniu pomp strzykawkowych.
    UWAGA: W rurce nie powinno być pęcherzyków, a na dyszy koncentrycznej elektronatrysku powinny tworzyć się kropelki.
  4. Włącz zasilanie, aby przyłożyć dodatnie wysokie napięcie do dyszy koncentrycznej elektronatrysku. Dostosuj przyłożone napięcie w zakresie 5–9 kV, aż na końcu dyszy koncentrycznej (tj. strumienia zbieżnego, powszechnie znanego jako "stożek Taylora") zostanie zaobserwowany wklęsły stożek (tj. zbieżny strumień, powszechnie znany jako "stożek Taylora") (jak pokazano we wstawce Rysunek 3a).
    Ostrzeżenie: Pamiętaj, aby nie dotykać dyszy elektrorozpylania, gdy przyłożone jest wysokie napięcie. Przestrzegaj odpowiednich środków ostrożności.
    UWAGA: Niewystarczające przyłożone napięcie spowoduje tworzenie się kropel na końcówce dyszy (jak pokazano we wstawce Rysunek 3b), podczas gdy zbyt wysokie przyłożone napięcie spowoduje powstanie łuku elektrycznego między dyszą a uziemionym stalowym pierścieniem.
  5. Po uzyskaniu stabilnego stożka Taylora (Rysunek 3a) dodaj 10 ml dejonizowanej wody do czystego naczynia zbiorczego i umieść szklane naczynie zbiorcze w konfiguracji. Nowe naczynie będzie zbierało micelarny produkt nanokrystaliczny.
  6. Uruchom proces produkcji nanokryształów micelarnych na określony czas (przez około 40 minut w przypadku uzyskania kulistego kształtu miceli lub około 90 minut w przypadku uzyskania kształtu przypominającego robaka). Następnie wyjmij naczynie zbiorcze spod dyszy elektrorozpylania.
  7. Zatrzymać pompę strzykawkową A i B.
  8. Wyłącz zasilanie wysokiego napięcia.
  9. Pozostawić rozpuszczalnik organiczny do odparowania (w dygestorium) z odkrytego naczynia zbiorczego przez noc.
    UWAGA: Sądząc po wynikach charakterystyki produktów micelarnych nanokrystalicznych, parowanie przez noc jest wystarczające do usunięcia rozpuszczalnika organicznego w celu uzyskania produktów o dobrej jakości.
  10. Na koniec przenieś micelarny produkt nanokrystaliczny do probówki wirówkowej o pojemności 15 ml w celu scharakteryzowania (np. spektroskopii fluorescencyjnej, dynamicznego rozpraszania światła, transmisyjnej mikroskopii elektronowej i analizy termicznej), aplikacji lub przechowywania. Końcowy płyn micelarny nanokrystaliczny należy przechowywać w lodówce w temperaturze 4 °C.
    UWAGA: Produkt może pozostać stabilny w tych warunkach przechowywania przez co najmniej jeden miesiąc.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Rysunek 1 przedstawia schemat podsumowujący wpływ rozpuszczalnika organicznego użytego w procesie produkcji na kontrolę struktur (kształtu i enkapsulacji) nanokryształów micelarnych. W skrócie: dichlorometan prowadzi do powstania miceli sferycznych bez enkapsulacji nanokryształów; chloroform prowadzi do powstania miceli sferycznych z niską liczbą enkapsulowanych nanokryształów; THF prowadzi odpowiednio do powstania miceli sferycznych z wysoką liczbą enkapsulo...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Opisana w niniejszej pracy metoda wytwarzania nanokryształów micelarnych łączy w sobie elektrorozpylanie od góry do dołu, samoorganizację od dołu do góry i kontrolę struktury za pomocą rozpuszczalnika. Skuteczną i wygodną metodą kontroli jakości jest użycie stożka Taylora utworzonego na współosiowej końcówce dyszy. Dzieje się tak, ponieważ prawidłowo uformowany stożek Taylora wskazuje na równowagę (lub prawie równowagę) między siłą elektryczną a napięciem powierzchniowym, co z kolei wskazuje na pomyślne utworzenie mikror...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy dziękują za wsparcie finansowe nagrody "Tysiąc Młodych Globalnych Talentów" od chińskiego rządu centralnego, nagrody "Shuang Chuang" od rządu prowincji Jiangsu, funduszu startowego od College of Engineering and Applied Sciences, Uniwersytetu Nanjing, Chiny, nagrody od Fundacji "Tian-Di", grantu z Funduszu Rozwoju Priorytetowego Programu Akademickiego Instytucji Szkolnictwa Wyższego w Jiangsu (PAPD), stypendium z Funduszu Nauk Przyrodniczych Prowincji Jiangsu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Hydrofobowe kropki kwantoweOcean NanotechQSPStałe hydrofobowe kropki kwantowe CdSe/ZnS. Szczytowa długość fali emisji fluorescencji wynosi 605 nm.
Poli(styren)-b-poli(glikol etylenowy) (PS-PEG)Sigma-Aldrich666476-500MGMasa cząsteczkowa segmentu PS wynosi 9,5 kDa, a segmentu PEG 18,0 kDa.
Poli(alkohol winylowy) (PVA)Sigma-Aldrich363170-500GMasa cząsteczkowa 13– 23 kDa, 87– W 89% hydrolizowany.
Tetrahydrofuran (THF)Sinopharma Odczynnik chemiczny80124418
ChloroformOdczynnik chemiczny Sinopharma40007960
Pompy strzykawkoweBao Ding Shen ChenSPLab01
RurkaShanghei Lai XingŚrednica zewnętrzna 2 mm i średnica wewnętrzna 1,8 mm Rurka PTFE.
StrzykawkiYi Ming5.CCjednorazowa strzykawka o pojemności 5 ml wykonana z PTFE.
Zasilacz wysokonapięciowyDong WenDWSeries Zasilacz prądu stałego (0– zakres 50 kV).
Dysza koncentryczna elektronatryskowaHunan Chang Sha Na YiZespół ze stali nierdzewnej. Wewnętrzna igła kapilarna miała rozmiar 27 (średnica zewnętrzna 500 μ m; średnica wewnętrzna 300 μ m). Zewnętrzna kapilara miała rozmiar 20 (średnica zewnętrzna 1,000 μ m; średnica wewnętrzna 500 μ m).
VortexerXi'an HEB Biotechnology Co., Ltd. ChinyMX-SMX-S z szerokim zakresem prędkości 0– 2 500 obr./min, bezstopniowa regulacja prędkości, obsługa dotykowa i ciągła.
Stalowy pierścieńYiwu Wan TuRings o różnych średnicach (0,8 cala i ndash; 1,8 cm) można zbudować. Na przykład pierścień o średnicy 1,3 cm został skonstruowany przez zwinięcie drutu stalowego o średnicy około 25 cm (długości) o średnicy 0,5 mm (24 gauge, AWG).
Szklana miska zbiorczaGrainger1u5084Szklane naczynie o wysokości 25 mm i średnicy 120 mm.
Probówka wirówkowa 15 mlJiangsu Xinkang Medical Instrument Co., Ltd.X-407wykonana jest z przezroczystego polipropylenu (PP).
Probówka wirówkowa

Bibliografia

  1. Nie, S., Xing, Y., Kim, G. J., Simons, J. W. Nanotechnology Applications in Cancer. Annu. Rev. Biomed. Eng. 9, 257-288 (2007).
  2. 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).
  3. Heath, J. R., Davis, M. E. Nanotechnology and Cancer. Annu. Rev. Medicine. 59, 251-265 (2008).
  4. Pu, K., Chattopadhyay, N., Rao, J. Recent advances of semiconducting polymer nanoparticles in in vivo molecular imaging. J. Control. Release. 240, 312-322 (2016).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Ruan, G., et al. Simultaneous magnetic manipulation and fluorescent tracking of multiple individual hybrid nanostructures. Nano Lett. 10 (6), 2220-2224 (2010).
  9. Ruan, G., Winter, J. O. Alternating-color quantum dot nanocomposites for particle tracking. Nano Lett. 11 (3), 941-945 (2011).
  10. 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).
  11. Torchilin, V. P. PEG-based micelles as carriers of contrast agents for different imaging modalities. Adv. Drug Deliv. Rev. 54 (2), 235-252 (2002).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Sailor, M., Park, J. Hybrid nanoparticles for detection and treatment of cancer. Adv. Materials. 24 (28), 3779-3802 (2012).
  15. 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).
  16. Bao, G., Mitragotri, S., Tong, S. Multifunctional nanoparticles for drug delivery and molecular imaging. Annu. Rev. Biomed. Eng. 15, 253-282 (2013).
  17. Mura, S., Couvreur, P. Nanotheranostics for personalized medicine. Adv. Drug Delivery Rev. 64 (13), 1394-1416 (2012).
  18. Louie, A. Y. Multimodality imaging probes: design and challenges. Chem. Rev. 110 (5), 3146-3195 (2010).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Technika elektrosprayuproces samoorganizacjikontrola oparta na rozpuszczalnikutetrahydrofuran THFmicelle w kszta cie robak wmicelle sferyczneenkapsulacja nanokryszta wdysza wsp osiowatransmisyjna mikroskopia elektronowa

Powiązane artykuły