Name: Kontrolowanie wielkości, kształtu i stabilności polimerów supramolekularnych w wodzie (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-08-02T12:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 24 s
Description: Poznaj metody kontroli wielkości, kształtu i stabilności polimerów supramolekularnych w wodzie przy użyciu spektroskopii CD, kryo-TEM i NMR. Techniki te pozwalają badać mechanizmy samoorganizacji nanocząstek.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy wyrażają wdzięczność Marko Nieuwenhuizenowi za pomoc przy badaniach DOSY-NMR.

<ol><li>Palmer, L. C., Stupp, S. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecular+self-assembly+into+one-dimensional+nanostructures%5BTitle%5D)+AND+%22Acc.+Chem.+Res%22%5BJournal%5D)">Molecular self-assembly into one-dimensional nanostructures.</a> Acc. Chem. Res. 41, 1674-1684 (2008).</li>
<li>Janssen, P. G. A., Vandenbergh, J., van Dongen, J. L. J., Meijer, E. W., Schenning, A. P. H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((ssDNA+templated+self-assembly+of+chromophores%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">ssDNA templated self-assembly of chromophores.</a> J. Am. Chem. Soc. 129, 6078-6079 (2007).</li>
<li>Bull, S. R., Palmer, L. C., Fry, N. J., Greenfield, M. A., Messmore, B. W., Meade, T. J., Stupp, S. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+templating+approach+for+monodisperse+self-assembled+organic+nanostructures%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">A templating approach for monodisperse self-assembled organic nanostructures.</a> J. Am. Chem. Soc. 130, 2742-2743 (2008).</li>
<li>Lortie, F., Boileau, S., Bouteiller, L., Chassenieux, C., Lauprêtre, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chain+stopper-assisted+characterization+of+supramolecular+polymers%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Chain stopper-assisted characterization of supramolecular polymers.</a> Macromolecules. 38, 5283-5287 (2005).</li>
<li>Wang, X., Guerin, G., Wang, H., Wang, Y., Manners, I., Winnik, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cylindrical+block+copolymer+micelles+and+co-micelles+of+controlled+length+and+architecture%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Cylindrical block copolymer micelles and co-micelles of controlled length and architecture.</a> Science. 317, 644-647 (2007).</li>
<li>Besenius, P., Portale, G., Bomans, P. H. H., Janssen, H. M., Palmans, A. R. A., Meijer, E. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlling+the+growth+and+shape+of+chiral+supramolecular+polymers+in+water%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Controlling the growth and shape of chiral supramolecular polymers in water.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 17888-17893 (2010).</li>
<li>Besenius, P., van den Hout, K. P., Albers, H. M. H. G., de Greef, T. F. A., Olijve, L. L. C., Hermans, T. M., de Waal, B. F. M., Bomans, P. H. H., Sommerdijk, N. A. J. M., Portale, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlled+supramolecular+oligomerisation+of+C3-symmetrical+molecules+in+water%3A+the+impact+of+hydrophobic+shielding%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Eur.+J%22%5BJournal%5D)">Controlled supramolecular oligomerisation of C3-symmetrical molecules in water: the impact of hydrophobic shielding.</a> Chem. Eur. J. 17, 5193-5203 (2011).</li>
<li>Smulders, M. M. J., Schenning, A. P. H. J., Meijer, E. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Insights+into+the+mechanisms+of+cooperative+self-assembly%3A+the+sergeants-and-soldiers+principle+of+chiral+and+achiral+C3-symmetrical+discotic+triamides%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Insights into the mechanisms of cooperative self-assembly: the sergeants-and-soldiers principle of chiral and achiral C3-symmetrical discotic triamides.</a> J. Am. Chem. Soc. 130, 606-611 (2008).</li>
<li>Jonkheijm, P., van der Schoot, P., Schenning, A. P. H. J., Meijer, E. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+the+solvent-assisted+nucleation+pathway+in+chemical+self-assembly%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Probing the solvent-assisted nucleation pathway in chemical self-assembly.</a> Science. 313, 80-83 (2006).</li>
<li>Bosman, A. W., Janssen, H. M., Meijer, E. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((About+dendrimers%3A+structure%2C+physical+properties%2C+and+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">About dendrimers: structure, physical properties, and applications.</a> Chem. Rev. 99, 1665-1688 (1999).</li>
<li>Veld, M. A. J., Haveman, D., Palmans, A. R. A., Meijer, E. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sterically+demanding+benzene-1%2C3%2C5-tricarboxamides%3A+tuning+the+mechanisms+of+supramolecular+polymerization+and+chiral+amplification%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Sterically demanding benzene-1,3,5-tricarboxamides: tuning the mechanisms of supramolecular polymerization and chiral amplification.</a> Soft Matter. 7, 524-531 (2011).</li>
<li>Stals, P. J. M., Smulders, M. M. J., Martín-Rapín, R., Palmans, A. R. A., Meijer, E. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Asymmetrically+substituted+benzene-1%2C3%2C5-tricarboxamides%3A+self-assembly+and+odd-even+effects+in+the+solid+state+and+in+dilute+solution%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Eur.+J%22%5BJournal%5D)">Asymmetrically substituted benzene-1,3,5-tricarboxamides: self-assembly and odd-even effects in the solid state and in dilute solution.</a> Chem. Eur. J. 15, 2071-2080 (2009).</li>
<li>De Greef, T. F. A., Smulders, M. M. J., Wolffs, M., Schenning, A. P. H. J., Sijbesma, R. P., Meijer, E. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Supramolecular+polymerization%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">Supramolecular polymerization.</a> Chem. Rev. 109, 5687-5754 (2009).</li>
<li>Smulders, M. M. J., Nieuwenhuizen, M. M. L., de Greef, T. F. A., Schoot, P. vander, Schenning, A. P. H. J., Meijer, E. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+to+distinguish+isodesmic+from+cooperative+supramolecular+polymerization%3F+Chem%5BTitle%5D)+AND+%22Eur.+J%22%5BJournal%5D)">How to distinguish isodesmic from cooperative supramolecular polymerization? Chem.</a> Eur. J. 16, 362-367 (2010).</li>
<li>Besenius, P., Heynens, J. L. M., Straathof, R., Nieuwenhuizen, M. M. L., Bomans, P. H. H., Terreno, E., Aime, S., Strijkers, G. J., Nicolay, K., Meijer, E. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Paramagnetic+self-assembled+nanoparticles+as+supramolecular+MRI+contrast+agents%5BTitle%5D)+AND+%22Contrast+Media+Mol.+Imaging%22%5BJournal%5D)">Paramagnetic self-assembled nanoparticles as supramolecular MRI contrast agents.</a> Contrast Media Mol. Imaging. , Forthcoming (2012).</li>
</ol>

Brak zadeklarowanych konfliktów interesów.

Samoorganizujące się amfifile dyskotyczne omawiane w niniejszej pracy, zawierające kompleks Gd(III)-DTPA, są obecnie badane jako nowatorskie środki kontrastowe do obrazowania rezonansem magnetycznym (MRI), które łączą wysoki kontrast z regulowanym czasem wydalania.15 W związku z tym szczegóły ich zachowania podczas samoorganizacji oraz ich stabilność w różnych warunkach mają kluczowe znaczenie. Połączenie technik spektroskopowych (CD i NMR), rozpraszania (SAXS) oraz mikroskopii (cryo-TEM) pozwala na wizualizację powstałych struktur i kwantyfikację ich parametrów termodynamicznych. To zestawienie technik znajduje ogólne zastosowanie w przypadku cząsteczek samoorganizujących się, o ile preferowany kierunek helikalności w badanym układzie pozwala na wystąpienie różnicy w absorpcji lewo- i prawoskrętnie spolaryzowanego światła kołowego.

<table><tbody><tr><td>BTA-Gd(III)-DTPA</td><td></td><td></td><td>Wytworzone wewnętrznie</td></tr><tr><td>BTA-Y(III)-DTPA</td><td></td><td></td><td>Wytworzone wewnętrznie</td></tr><tr><td>Spektroskopia CD</td><td>Jasco</td><td>Spektropolarymetr Jasco J-815</td><td></td></tr><tr><td>NMR</td><td>Varian</td><td>Spektrometr Varian Unity Inova 500</td><td>Sonda PFG o średnicy wewnętrznej 5 mm firmy Varian</td></tr><tr><td>cryo-TEM</td><td>FEI</td><td>cryoTITAN TEM</td><td></td></tr><tr><td>SAXS</td><td>Linia wiązki niderlandzko-belgijska (BM26B) w Europejskiej Instalacji Promieniowania Synchrotronowego (ESRF) w Grenoble, Francja</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

kontrola rozmiaru, kształtu i stabilności polimerów supramolekularnych w wodzie

Controlling the Size, Shape and Stability of Supramolecular Polymers in Water

W przypadku wodnych polimerów supramolekularnych jednoczesna kontrola nad kształtem, rozmiarem i stabilnością jest bardzo trudna1. Jednocześnie umiejętność takiej kontroli jest niezwykle istotna z punktu widzenia wielu zastosowań w funkcjonalnej materii miękkiej, w tym w elektronice, inżynierii biomedycznej i sensorach. W przeszłości skuteczne strategie kontroli rozmiaru i kształtu polimerów supramolekularnych koncentrowały się zazwyczaj na wykorzystaniu matryc2,3, czynników kończących polimeryzację (end cappers)4 lub technik selektywnego rozpuszczalnika5.
W niniejszym opracowaniu przedstawiamy strategię opartą na samomontujących się amfifilach dyskotycznych, która umożliwia kontrolę długości stosu oraz kształtu uporządkowanych, chiralnych agregatów kolumnowych. Poprzez zrównoważenie elektrostatycznych oddziaływań odpychających na brzegu hydrofilowym oraz atrakcyjnych sił niekowalencyjnych wewnątrz hydrofobowego rdzenia polimeryzującego bloku budulcowego, udało nam się stworzyć małe i dyskretne obiekty sferyczne6,7. Zwiększenie stężenia soli w celu ekranowania ładunków indukuje przejście ze sfery w pręt. Co interesujące, przejście to przejawia się wzrostem kooperatywności w mechanizmie samomontażu zależnym od temperatury, co prowadzi do uzyskania bardziej stabilnych agregatów.
W naszym badaniu wybraliśmy rdzeń benzen-1,3,5-trikarboksamidu (BTA) połączony z hydrofilowym chelatem metalu poprzez hydrofobowy, fluorowany łącznik oparty na L-fenyloalaninie (Schemat 1). Jako chelat metalu wybrano kompleks Gd(III)-DTPA, który posiada dwa całkowite ładunki pozostałe na kompleks i tym samym dwa przeciwjony. Jednowymiarowy wzrost agregatu jest kierowany przez oddziaływania π-π oraz międzycząsteczkowe wiązania wodorowe. Jednakże elektrostatyczne siły odpychania, wynikające z ładunków kompleksu Gd(III)-DTPA, zaczynają ograniczać jednowymiarowy wzrost dyskotycznej struktury opartej na BTA po osiągnięciu określonego rozmiaru. Przy stężeniach milimolarnych utworzony agregat ma kształt sferyczny i średnicę około 5 nm, co wywnioskowano na podstawie spektroskopii 1H-NMR, małokątnego rozpraszania promieni rentgenowskich oraz kriogenicznej transmisyjnej mikroskopii elektronowej (cryo-TEM). Siłę elektrostatycznych oddziaływań odpychających między cząsteczkami można zmniejszyć poprzez zwiększenie stężenia soli w roztworach buforowych. Takie ekranowanie ładunków indukuje przejście z agregatów sferycznych w wydłużone pręty o długości &gt; 25 nm. Cryo-TEM pozwala na wizualizację zmian kształtu i rozmiaru. Dodatkowo spektroskopia CD umożliwia określenie szczegółów mechanistycznych procesów samoorganizacji przed i po dodaniu soli. Co istotne, kooperatywność – kluczowa cecha determinująca właściwości fizyczne otrzymanych polimerów supramolekularnych – gwałtownie wzrasta po ekranowaniu oddziaływań elektrostatycznych. Ten wzrost kooperatywności prowadzi do znaczącego zwiększenia masy cząsteczkowej utworzonych w wodzie polimerów supramolekularnych.

Celem niniejszego eksperymentu jest określenie i kontrolowanie wielkości, kształtu oraz stabilności samoorganizujących się amfifili dyskotycznych w wodzie. W przypadku wodnych polimerów supramolekularnych osiągnięcie takiego poziomu kontroli jest bardzo trudne. Zastosowano strategię wykorzystującą zarówno oddziaływania odpychające, jak i przyciągające. Techniki eksperymentalne użyte do charakterystyki tego układu mają szerokie zastosowanie.

Kontrola rozmiaru, kształtu i stabilności polimerów supramolekularnych w wodzie

W przypadku wodnych polimerów supramolekularnych jednoczesna kontrola nad kształtem, rozmiarem i stabilnością jest bardzo trudna1. Jednocześnie zdolność do ...

Ogólnym celem następnego eksperymentu jest kontrola rozmiaru, kształtu i stabilności supermolekularnych nanocząstek dynamicznych w wodzie. Osiąga się to poprzez projektowanie samoorganizujących się lub polimeryzujących amplifikatorów dichotycznych, których struktura molekularna jest dostosowana do obu rodzajów oddziaływań: przyciągających i odpychających. Prowadzi to do powstania mechanizmu wzrostu z frustracją, w wyniku czego otrzymuje się samoorganizujące się nanocząstki w wodzie o kontrolowanym kształcie sferycznym.W drugim kroku zwiększa się stężenie soli w roztworze wodnym, co osłabia oddziaływania odpychające zakodowane w strukturze cząsteczkowej amfifila dyskowej formy. Indukuje to przejście z formy sferycznej w pręcikową. W celu ujawnienia mechanizmów leżących u podstaw tego przejścia przeprowadzono badania spektroskopowe za pomocą dichroizmu kołowego (CD), zależne od temperatury. Ponadto zastosowano kombinację technik analitycznych, takich jak kriomikroskopia elektronowa w trybie przenikania oraz rezonans magnetyczny jądra, aby zmierzyć i zwizualizować przejście z jednego typu agregatu w drugi. Uzyskane wyniki wykazują, że przejście ze sfery w pręcik przejawia się poprzez zwiększoną kooperatywność w polimeryzacji supramolekularnej.Zjawisko to wynika z przejścia z procesu antykooperacyjnego w nanop cząstkach o ograniczonej wielkości do w pełni kooperacyjnego mechanizmu elongacji nukleacji, który w tym przypadku prowadzi do powstania bardzo dużych polimerów supramolekularnych – dynamicznych nanoprętów. Główną zaletą łączenia technik spektroskopowych, takich jak spektroskopia CD, małokątne rozpraszanie promieni rentgenowskich oraz dMR, z technikami mikroskopowymi, takimi jak cryo-EM, jest możliwość pomiaru i wizualizacji przejść polimerów supramolekularnych w wodzie. Te dynamiczne polimery mogą reagować na bodźce zewnętrzne, takie jak zmiany temperatury, zmiany siły jonowej lub zmiany pH.Połączenie tych metod ma szerokie zastosowanie i może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie chemii molekularnej oraz samoorganizujących się nanomateriałów. Na przykład można zbadać korelację między wymiarami agregatów powstałych w wyniku samoorganizacji małocząsteczkowych bloków budulcowych a podstawowymi mechanizmami ich powstawania. Implikacje tej metodologii obejmują szeroki zakres zastosowań w nanobioteknologii.Szczególnie interesował nas obszar obrazowania biomedycznego oraz opracowywanie samoorganizujących się nanocząsteczkowych środków kontrastowych, w przypadku których dla sukcesu w zastosowaniach klinicznych kluczowy jest delikatny balans między stabilnością agregatów, wysokim kontrastem a zdolnością do wydalania tych samoorganizujących się środków kontrastowych. Pomysł połączenia technik charakterystyki pojawił się u nas, gdy zdało nam się w widoczne, że subtelne zmiany w strukturze molekularnej samoorganizujących się bloków budulcowych mogą prowadzić do fundamentalnych różnic w mechanizmie polimeryzacji nadcząsteczkowej. Procedurę zademonstruje Paul Beaumont, ekspert i osoba odpowiedzialna za zaplecze cryo 10 na Uniwersytecie Technicznym w Trovan.Rozpocznij ten protokół od przygotowania roztworu BTA gadolinowego DTPA w 100 milimolarnym buforze cytrynianowym, zgodnie z opisem w protokole pisemnym towarzyszącym temu filmowi. Napełnij roztworem kuwetę UV Q o szerokości jednego centymetra. Włóż kuwetę do uchwytu na kuwety w kolistym spektrometrze D crowism.Zmierzyć widmo CD w zakresie od 230 do 350 nanometrów. Następnie zmierzyć krzywą chłodzenia CD dla pasma o najwyższej intensywności w zakresie od 363 do 283 kelwinów z szybkością jednego kelwina na minutę. Następnie dodać taką samą objętość dwumolarnego roztworu buforowanego chlorku sodu do roztworu BTA gadolinium DTPA w buforze cytrynianowym.Zwiększy to siłę jonową do 1 M chlorku sodu i rozcieńczy dyski do połowy stężenia. Po zwiększeniu siły jonowej wymieszaj roztwór w wstrząsarku typu vortex przez 40 sekund, a następnie ponownie zmierz widmo CD w zakresie od 230 do 350 nanometrów. Następnie zmierz krzywą chłodzenia CD przy najwyższej intensywności pasma CD w temperaturach od 363 do 283 kelwinów, z szybkością jednego kelwina na minutę.Wyeksportuj surowe dane CD do programu Origin 8.5. Znormalizuj widma, przyjmując efekt CD w najwyższej zmierzonej temperaturze za zero, a efekt CD w najniższej zmierzonej temperaturze za jeden; ponieważ wielkość efektu CD jest proporcjonalna do stopnia agregacji, znormalizowane krzywe CD są proporcjonalne do stopnia agregacji. Znormalizowane dane dopasowano za pomocą opcji nieliniowego dopasowania krzywej w programie Origin Pro 8.5, wykorzystując model samoorganizacji zależny od temperatury.W tym modelu wyróżnia się reżim nukleacji oraz reżim elongacji. Najpierw dopasuj stopień agregacji w reżimie elongacji. W tym równaniu T reprezentuje zmienną temperaturę.PHI N to wypadkowa helikalność, która jest proporcjonalna do stopnia agregacji, a HE to molekularna entalpia wydłużania. T TE oznacza temperaturę wydłużania, czyli temperaturę, przy której samorzutna organizacja zaczyna stawać się termodynamicznie korzystna. Wprowadzono czynnik normalizacji fiat, aby zapewnić, że stosunek Phi N do fiat nie przekroczy jedności, co wynika z ograniczenia, zgodnie z którym stopień agregacji nie może zostać przekroczony.Dopasowanie jedności (unity fitting) pozwala na wyznaczenie entalpii wydłużania w dżulach na mol oraz temperatury wydłużania w Kelvinach, która charakteryzuje samoorganizację cząsteczek dla danej koncentracji. Podczas dopasowania należy przestrzegać ograniczenia, zgodnie z którym dopasowywany powinien być tylko stopień agregacji w temperaturach poniżej TE, ponieważ równanie jest ważne wyłącznie w reżimie wydłużania; po dopasowaniu pierwszego równania jedynym nieznanym parametrem w równaniu dla reżimu nukleacji jest stała aktywacji ka, która opisuje kooperatywność polimeryzacji supramolekularnej. Aby wyznaczyć stałą aktywacji, należy dopasować eksperymentalnie otrzymany stopień agregacji dla temperatur powyżej TE w reżimie nukleacji.Zacznij od przygotowania roztworów do mikroskopii elektronowej zgodnie z opisem w tekście. Krótko mówiąc, przygotuj dwa bufory: bufor cytrynianowy 100 mM oraz bufor cytrynianowy 100 mM z rozpuszczonym 5 M chlorkiem sodu. Rozpuść BTA gadolinium DTPA w 0,1 ml każdego z przygotowanych buforów, aby uzyskać końcowe stężenie 1 mM. Następnie poddaj obróbce plazmowej siatkę Quantifoil powlekaną węglem, używając C Resington 2 0 8 carbon coer przy natężeniu 5 mA przez 40 sekund.Procedura witryfikacji jest kluczowym etapem krio-przygotowania, ponieważ zapewnia, że cienka warstwa błyszczącego ISIS wytworzona podczas procesu jest odpowiednia do analizy TAM. Roztwór wodny jest naniesiony na siatkę podczas witryfikacji w automatycznym urządzeniu FEI vitro bot. Proces ten obejmuje naniesienie próbki na siatkę, odsączenie nadmiaru cieczy w celu utworzenia cienkiej warstwy roztworu wodnego na siatce oraz następującą po tym witryfikację poprzez bardzo szybkie zanurzenie siatki w ciekłym etanie.Po witryfikacji przenieś potraktowaną siatkę do ciekłego azotu w celu jej utrwalenia, a następnie ręcznie przenieś siatkę z próbką do kasety autoloadera, która również jest chłodzona ciekłym azotem. Kolejnym krokiem jest umieszczenie kasety w automatycznym ładowarzu TEM TUE cryo Titan. TUE Cryo Titan jest wyposażony w działo emisyjne pracujące przy napięciu 300 kV.Rejestrowanie obrazów TAM wymaga doświadczenia i sprawnego operowania sprzętem. Wynika to z faktu, że wysokoenergetyczna wiązka elektronów uszkadza preparat podczas obrazowania. Obrazy należy rejestrować za pomocą kamery CCD wyposażonej w filtr energetyczny z bramką za kolumną. Ponieważ gadolin jest silnie paramagnetyczny i sygnały protonowe uległyby w związku z tym znacznemu poszerzeniu, zastosowano inny dysk, w którym gadolin zastąpiono diamagnetycznym itrem oraz roztworem BT atrium.Przygotowano DTPA. Oblicz, ile miligramów BT atrium DTPA o masie cząsteczkowej 2 979 g/mol jest wymagane do uzyskania docelowego stężenia 1 mM. Następnie rozpuść wyznaczoną ilość BT atrium DTPA w 50 mM buforze bursztynianowym w D₂O, po czym pipetuj 0,6 ml otrzymanego roztworu do probówki NMR firmy Wilm, LABAs.Wprowadzić próbkę do modułu variant w spektrometrze Nova 500 wyposażonym w sondę I-D-P-F-G o średnicy pięciu milimetrów firmy Varian. Przeprowadzić eksperymenty DOI zgodnie z opisem w tekście, po zarejestrowaniu standardowego widma NMR protonowego z zastosowaniem impulsu 90 stopni i odpowiednią optymalizacją czasów mieszania. Jednostkową sekwencję impulsów DOI stosuje się po wyznaczeniu samodyfuzji HDO w referencyjnej sondzie jajnikowej, a w próbce wyznacza się współczynnik dyfuzji agregatów, na podstawie którego można obliczyć promień hydrodynamiczny.Na koniec oblicz promienie hydrodynamiczne RH agregatów, wykorzystując równanie Stokesa-Einsteina dla dyfuzji cząstki sferycznej. Charakter jonowy peryferyjnych kompleksów gadolinu z DTPA wprowadza frustrację w jednowymiarowym wzroście monomerów dyskowych, których rdzeń został zaprojektowany tak, aby polimeryzować w wydłużone, pręcikowe agregaty. Równowaga między oddziaływaniami przyciągającymi a odpychającymi kontroluje rozmiar i kształt agregatów.Potężną techniką służącą do wyznaczania rozmiaru i kształtu cząsteczek oraz roztworów jest wykorzystanie źródła synchrotronowego. Rozproszone promienie rentgenowskie pod małym kątem lub SAXS. Gadolin DTPA rozpuszczono w roztworze buforu cytrynianowego, a następnie zarejestrowano profile SAXS dla dwóch różnych stężeń.Nachylenie dążące do zera w obszarze niskich wartości Q wskazuje na brak określonego kształtu i izotropię agregatu, co sugeruje obecność obiektów sferycznych. Dane pomiarowe przy różnych stężeniach dopasowano do homogenicznego, monodyspersyjnego czynnika kształtu sfery, co pozwoliło obliczyć promień wynoszący 3,2 nanometra. Obliczony promień geometryczny monomeru disco-BTA gadolinowej DTPA wynosi 3,0 nanometra, co potwierdza obecność agregatów o stosunku boków bliskim jedności, dostarczając dalszych dowodów na sferyczny kształt i nanometryczny rozmiar obiektów powstałych w wyniku samozgrupowania.Przeprowadzono spektroskopię NMR z dyfuzyjnym uporządkowaniem protonów. DOI NMR pozwala na wyznaczenie współczynników dyfuzji agregatów nadcząsteczkowych, z których można obliczyć ich promień hydrodynamiczny. Współczynnik dyfuzji zagregowanego diamagnetycznego wzmacniacza dichotycznego w zbuforowanym deuterowanym bursztyianie wyniósł 0,69 × 10⁻¹⁰ m²/s, wyznaczone zgodnie z relacją Stokesa-Einsteina.Dla obiektów o rozmiarze sferycznym obliczono promień hydrodynamiczny wynoszący 2,9 nanometrów. Wartość ta wykazuje doskonałą zgodność z wynikiem uzyskanym z danych SOX dla BTA gadolinium DTPA. Dalsze dowody na skuteczną kontrolę długości jednowymiarowego stosu uzyskano z mikrografii cryo TEM.BTA gadolinowy DTPA tworzy oczekiwane obiekty sferyczne o średnicach bliskich 6 nm przy stężeniu 1 mM, co potwierdza wyniki pomiarów so oraz DOI. Formowanie się supramolekularnych polimerów w postaci prętów o wysokim współczynniku proporcji jest wyraźnie widoczne na mikrografiach cryo te przy wysokiej sile jonowej. Najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem tego zjawiska jest ekranowanie elektrostatyczne.Kształt zmienia się z sferycznego agregatu o średnicy około sześciu nanometrów w wydłużone pręty o średnicy sześciu nanometrów i długości do kilkuset nanometrów. Przedstawiono tutaj widma CD BTA Gadolinium DTPA w temperaturze pokojowej przy zwiększającym się stężeniu soli. Stężenie BTA gadolinium DTPA wynosi 8 × 10⁻³ mM przy niskiej sile jonowej oraz 4 × 10⁻³ mM przy wysokiej sile jonowej.Chociaż do pomiarów CD zastosowano znacznie niżższe stężenie, wyraźny efekt bawełniany wskazuje na obecność nienaruszonych agregatów nawet przy stężeniach mikromolarnych. Kształt widma CD zmienia się wraz ze wzrostem stężenia soli, co stanowi dobrą przesłankę za zredukowanymi oddziaływaniami odpychającymi na obwodzie stosów oraz gęstszym upakowaniem decosów. Ponadto krzywe chłodzenia CD dla tych samych roztworów wykazują wyraźne różnice w kształcie.Temperatura, przy której rozpoczyna się agregacja, przesuwa się w stronę wyższych wartości wraz ze wzrostem stężenia soli. Staje się również widoczny coraz bardziej kooperatywny mechanizm, charakteryzujący się gwałtowniejszym wzrostem efektu CD, podczas gdy krzywa chłodzenia przy stężeniu 0 M NaCl jest najlepiej opisywana przez izometryczny model samoorganizacji, co wskazuje na proces antykooperatywny. Krzywa chłodzenia przy stężeniu 1,0 M NaCl jest typowa dla kooperatywnego procesu samoorganizacji i może być opisana modelem nukleacji i elongacji, pozwalającym na określenie parametrów termodynamicznych samoorganizacji kompleksu BTA z gadolinem DTPA przy stężeniu 0 i 1 M NaCl.Zastosowanie modelu kooperatywnego wyraźnie wykazuje spadek ka, która jest bezwymiarową stałą aktywacji. Niższe wartości KA wskazują na wyższy stopień kooperatywności w procesie samoorganizacji, co objawia się tworzeniem silnie wydłużonych polimerów supramolekularnych. Jak zaobserwowano w cryo TEM, podczas stosowania zademonstrowanych technik eksperymentalnych należy pamiętać, że tylko kombinacja metod badawczych pozwoli na uzyskanie sensownego, całościowego opisu badanych dynamicznych nanomateriałów.Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat szerokiego zakresu zastosowań naszego połączonego podejścia eksperymentalnego oraz tego, w jaki sposób może ono pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie nanomateriałów samoorganizujących się i superpoematów.

controlling-size-shape-stability-supramolecular-polymers

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Kontrolowanie wielkości, kształtu i stabilności supramolekularnych polimerów w wodzie

Opisano protokół syntezy i charakterystyki koloidów pokrytych cząstkami supramolekularnymi. Te supramolekularne koloidy ulegają samoorganizacji po aktywacji wiązań wodorowych między cząsteczkami zakotwiczonymi na powierzchni przez światło UV.

Synteza i charakterystyka koloidów supramolekularnych

Przedstawiamy protokół szybkiego tworzenia gigantycznych pęcherzyków polimerowych (pGV). Krótko mówiąc, roztwory polimerów są odwadniane na wysuszonych foliach agarozowych przyklejonych do szkiełek nakrywkowych. Rehydratacja folii polimerowych powoduje szybkie tworzenie się pGV. Metoda ta znacznie przyspiesza przygotowanie syntetycznych pęcherzyków olbrzymich do bezpośredniego zastosowania w badaniach biomimetycznych.

Tworzenie gigantycznych rozmiarów polimeromów za pomocą ponownego uwodnienia wspomaganego żelem

Ten artykuł opisuje proces wytwarzania polimerowych, samoorganizujących się nanocząstek za pomocą polimeryzacji dyspersyjnej za pośrednictwem światła widzialnego. Wykorzystanie niskoenergetycznego światła widzialnego do kontrolowania polimeryzacji pozwala na powtarzalne tworzenie samoorganizujących się miceli przypominających robaki przy wysokiej zawartości części stałych.

Łatwa synteza robakopodobnych miceli za pomocą polimeryzacji dyspersyjnej za pośrednictwem światła widzialnego przy użyciu katalizatora fotoredoks

Polimeryzacja wytrącająca bez mieszania zapewnia szybkie, powtarzalne podejście do prototypowania syntezy wrażliwych na bodźce mikrożeli poli(N-izopropyloakrylamidowych) o wąskim rozkładzie rozmiarów. W tej syntezie protokołu demonstruje się charakterystykę rozpraszania światła i śledzenie fluorescencji pojedynczych cząstek tych mikrożeli w mikroskopii szerokokątnej.

Kontrolowana synteza i śledzenie fluorescencji wysoce jednorodnych mikrożeli poli(N-izopropyloakrylamidowych)

Tutaj prezentujemy protokół do przygotowania i wizualizacji struktur drugorzędnych (np. włókien, architektur toroidalnych i nanosfer) pochodzących z polikarmidów spiralnych. Wykazano, że morfologia charakteryzująca się zarówno mikroskopią sił atomowych (AFM), jak i skaningową mikroskopią elektronową (SEM) zależy od struktury molekularnej, stężenia i wybranego rozpuszczalnika.

Samoorganizujące się morfologie otrzymane z helikalnych kopolimerów polikarbodimidu i ich pochodnych triazolowych

Metoda indukowanej suszeniem samointegracji megamolekularnych biopolimerów na granicy powietrzno-ciekłokrystalicznej jest dostępna tutaj. Metodologia ta będzie przydatna nie tylko do zrozumienia makroskopowego potencjału biopolimerów, ale także jako metoda oceny materiałów miękkich w dziedzinach biomedycznych i środowiskowych.

Metody samointegracji biopolimerów megamolekularnych na granicy faz powietrze-LC

Różne metody manipulowania trójwymiarową architekturą w hydrożelach na bazie białek są tutaj oceniane pod kątem właściwości materiałów. Sieci makroporowate są funkcjonalizowane peptydem adhezyjnym, a ich wykonalność w hodowli komórkowej jest oceniana przy użyciu dwóch różnych modelowych linii komórkowych.

Łatwa manipulacja architekturą w hydrożelach na bazie białek do zastosowań w hodowlach komórkowych

Ten artykuł opisuje proces dostrajania rozmiaru i gęstości sieciowania kowalencyjnie usieciowanych nanocząstek z liniowych poliestrów zawierających funkcjonalność wisiorka. Dostosowując parametry syntezy (masa cząsteczkowa polimeru, włączenie funkcjonalności wisiorka i równoważniki środków sieciujących), można osiągnąć pożądany rozmiar nanocząstek i gęstość usieciowania do zastosowań związanych z dostarczaniem leków.

Przestrajalność nanogąbek pod względem wielkości i gęstości usieciowania

Przedstawiono protokół wytwarzania pustych w środku cząstek polimeru i mikrokapsułek metodą polimeryzacji rodnikowej przy użyciu emulsji składających się ze styrenu, perfluoro-n-oktanu i wodnego roztworu SDS (dodecylosiarczan sodu).

Otrzymywanie pustych w środku cząstek polistyrenu i mikrokapsułek przez radykalną polimeryzację kropelek janusa składających się z olejów węglowodorowych i fluorowęglowodorowych

Tutaj prezentujemy protokół ilustrujący procesy produkcji i eksperymenty weryfikacyjne pół-trójwymiarowego (pół-3D) mikroprzepływowego chipa skupiającego przepływ do tworzenia kropel.

Wytwarzanie kropelek diakrylanu z poli(glikolu etylenowego) o kontrolowanej wielkości za pomocą pół-3-wymiarowych urządzeń mikroprzepływowych z ogniskowaniem przepływu

Polimeromy to samoorganizujące się pęcherzyki polimerowe, które są formowane w sferyczne kształty, aby zminimalizować energię swobodną Gibba. W przypadku dostarczania leków korzystne są bardziej wydłużone struktury. Protokół ten ustanawia metody tworzenia bardziej pręcikowatych polimeromów o wydłużonych proporcjach, wykorzystujących sól do indukowania ciśnienia osmotycznego i zmniejszania objętości pęcherzyków wewnętrznych.

Modulowanie kształtu polimeromów na bazie poliestru za pomocą ciśnienia osmotycznego

Poznaj metody kontroli wielkości, kształtu i stabilności polimerów supramolekularnych w wodzie przy użyciu spektroskopii CD, kryo-TEM i NMR. Techniki te pozwalają badać mechanizmy samoorganizacji nanocząstek.

Kontrola rozmiaru, kształtu i stabilności polimerów supramolekularnych w wodzie

Przeglądaj więcej filmów