Otrzymywanie krzemionki funkcjonalnej metodą inspirowaną biologicznie

Głównymi zaletami tej metody jest to, że jest szybka, łatwa, przyjazna dla środowiska i pozwala na dostosowanie materiałów. Metoda ta może dostarczyć informacji na temat tego, w jaki sposób powstaje krzemionka inspirowana biologią, jakie są dostępne sposoby włączania biomolekuł i jak wygląda obróbka materiału postsyntetycznego. Ogólnie rzecz biorąc, osoby, które dopiero zaczynają korzystać z tej metody, będą miały trudności, ponieważ tworzenie się krzemionki jest szybkie i należy szybko dodać określoną ilość kwasu, aby uzyskać optymalne wyniki.

Po raz pierwszy wpadliśmy na pomysł tej metody, gdy zdaliśmy sobie sprawę, jak łagodna jest, tak że warunki są zgodne z enzymami. Myśleliśmy o zastosowaniu tej metody w celu zwiększenia wydajności i stabilności enzymów. Wizualna demonstracja tej metody ma kluczowe znaczenie, ponieważ etap neutralizacji kwasu jest najważniejszy dla końcowych właściwości materiału.

Najpierw odważ 318,2 miligrama pięciowodnego krzemianu sodu do 180-mililitrowego plastikowego pojemnika i rozpuść w 20 mililitrach wody dejonizowanej. W drugim pojemniku odważyć 58,1 miligrama heksaminy pentaetylenowej lub PEHA i rozpuścić w 20 mililitrach wody dejonizowanej. Odejmij tę ilość wody od objętości wody dejonizowanej, która ma być użyta do rozpuszczenia pentahydratu krzemianu sodu.

Aby przeprowadzić enkapsulację in situ podczas syntezy, rozpuść z góry określoną masę białka w pięciu mililitrach dejonizowanej wody i umieść roztwór w lodówce do całkowitego rozpuszczenia. Od czasu do czasu sprawdzaj postęp rozpuszczania, najlepiej bez mieszania. Połącz pięciowodne roztwory krzemianu sodu i PEHA w jednym z pojemników i dodaj wystarczającą ilość wody dejonizowanej, aby końcowa objętość roztworu wynosiła 41,5 mililitra.

Umieść świeżo przygotowaną mieszaninę na wierzchu talerza do mieszania i dodaj mieszadło, aby zapewnić równomierne mieszanie. Następnie zawiesić sondę pH w roztworze mieszającym i zarejestrować początkowe pH. Rozpocznij syntezę od dodania z góry określonej ilości jednomolowego kwasu solnego i obserwuj natychmiastowe zmiany w zmętnieniu.

Pierwszym krytycznym krokiem jest szybkie dodanie kwasu w celu zainicjowania tworzenia się krzemionki. pH należy obniżyć do siedmiu tak szybko, jak to możliwe. Jeśli trwa kapsułkowanie, dodać roztwór kapsułki, gdy tylko dodawanie kwasu zostanie zakończone.

Następnie zapisz pH po pięciu minutach, aby określić zakończenie reakcji. Po zakończeniu reakcji zmodyfikuj skład wytworzonej krzemionki, dodając do mieszaniny więcej kwasu solnego, aż do osiągnięcia pożądanego pH między dwoma a siedmioma i pozwól zawiesinie ustabilizować się przez około jedną minutę. Następnie zdekantować bioinspirowaną zawiesinę krzemionkową do 50-mililitrowych probówek wirówkowych, a następnie odwirować zawiesinę o stężeniu 5 000 g przez 15 minut.

Po odwirowaniu usunąć supernatant i przechowywać do dalszej analizy. Napełnij probówki wirówkowe wodą dejonizowaną i ponownie zawieś krzemionkę za pomocą mieszalnika wirowego. W przypadku inkorporacji biomolekuł krytycznym krokiem jest podanie supernatantów z bioinspirowanego płukania krzemionką w celu ich dalszej analizy.

Po dwukrotnym powtórzeniu etapów wirowania i ponownego zawieszenia, usunąć supernatant i zeskrobać krzemionkę do tygli ceramicznych. Suszyć krzemionkę w piekarniku przez noc w temperaturze 85 stopni Celsjusza. W pięciomililitrowej plastikowej fiolce rozcieńczyć 300 mikrolitrów wcześniej przygotowanego odczynnika błękitu molibdenowego z trzema mililitrami wody dejonizowanej.

Następnie dodaj 10 mikrolitrów roztworu testowego kwasu salicynowego i wstrząśnij do wymieszania. Po 15 minutach dodaj 1,6 mililitra wcześniej przygotowanego środka redukującego siarczan para-aminofenolu, aby zredukować żółty kompleks silikomolibdenianu do jego niebieskiego izomeru. Następnie zmierz absorbancję próbki przy 810 nanometrach w spektrofotometrze UV-vis i oblicz stężenie krzemu w stosunku do krzywej kalibracyjnej.

Używając jednorazowych końcówek do pipet, dodaj wcześniej określoną ilość odczynnika Bradforda i próbki do każdej przypisanej kuwety. Wymieszaj każdą kuwetę, odwracając ją trzy razy i pozostaw na 10 minut, aby się rozwinęła. Następnie zmierz absorbancję przy 595 nanometrach, używając czystego supernatantu jako ślepej próby.

Obliczyć pierwotną absorbancję każdej kuwety, odejmując absorbancję próbki kontrolnej od każdego pomiaru. Teraz utwórz krzywą kalibracyjną dla każdego zestawu eksperymentów, wykreślając zmierzoną absorbancję w stosunku do stężenia BSA, aby uniknąć losowych wahań, które mogą wpłynąć na czułość testu. Na koniec należy określić zawartość białka w każdej próbce podczas ponownego zawieszania, aby monitorować ewentualną utratę białka.

Wydajność reakcji tworzenia krzemionki wynosi zwykle 58 plus minus 6,5%Metoda spektroskopowa błękitu molibdenowego wykryła ilość nieprzereagowanych monomerycznych gatunków krzemianów, a także tych gatunków, które zareagowały, tworząc polikrzemiany lub oligomery, ale nie udało im się osiągnąć wystarczającej wielkości do koagulacji. Po zakończeniu koagulacji powierzchnie materiału można łatwo modyfikować za pomocą elucji kwasowej, która pozwala na precyzyjne dostrojenie właściwości materiału, takich jak skład, porowatość i aktywność chemiczna dodatku. Około 50% BSA wykryto w supernatancie po pierwszym odwirowaniu, co odnosi się do 50% skuteczności immobilizacji.

Ponieważ w kolejnych płukaniach nie wykryto BSA, BSA można było bezpiecznie otoczyć kapsułką podczas syntezy bez wypłukiwania. Widmo FTIR krzemionki wykazało charakterystyczne pasma amidowe w próbkach z BSA, ale nie w próbkach kontrolnych. Po dodaniu BSA do nieprzereagowanych odczynników nie stwierdzono istotnych różnic w skuteczności immobilizacji ani ilości BSA w otrzymanym kompozycie.

Gdy BSA został dodany podczas tworzenia krzemionki, skuteczność immobilizacji i ilość BSA w produkcie były znacznie niższe. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w mniej niż pięć minut, jeśli jest wykonywana prawidłowo. Próbując tej procedury, należy pamiętać o dokładności wag i objętości reagentów oraz szybkim dodaniu kwasu w jednej dawce.

Po tej procedurze można wykonać inne metody, takie jak FTIR, SCM, porozymetria i testy enzymatyczne, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania dotyczące właściwości i morfologii materiału, a także aktywności biomolekuł. Po jej opracowaniu, technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się tworzeniem krzemionki inspirowanej biologicznie do zbadania szybkiej, łatwej, kontrolowanej i przyjaznej dla środowiska metody syntezy krzemionki z możliwością kapsułkowania biomolekuł in situ. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak syntetyzować krzemionkę przy użyciu metody inspirowanej biologicznie, kapsułkować biomolekuły in situ, mierzyć wydajność enkapsulacji i przeprowadzać postsyntetyczną elucję dodatków.

Nie zapominaj, że praca z aminami, kwasami, biomolekułami może być niezwykle niebezpieczna, a podczas wykonywania tej procedury należy zawsze podejmować środki ostrożności, takie jak środki ochrony osobistej i zapobieganie rozlaniu.