O exame quantitativo e qualitativo dos Interações partícula-partícula coloidal Usando Probe Nanoscopia

Resumo

A nanoscopia de sonda coloidal pode ser usada em uma variedade de campos para obter informações sobre a estabilidade física e a cinética de coagulação de sistemas coloidais e auxiliar na descoberta de medicamentos e ciências de formulação usando sistemas biológicos. O método descrito fornece um meio quantitativo e qualitativo para estudar tais sistemas.

Resumo

A nanoscopia de sonda coloidal (CPN), o estudo das forças interativas em nanoescala entre uma sonda coloidal especificamente preparada e qualquer substrato escolhido usando o Microscópio de Força Atômica (AFM), pode fornecer informações importantes sobre as interações físicas presentes nos sistemas coloidais. Os sistemas coloidais são amplamente existentes em várias aplicações, incluindo produtos farmacêuticos, alimentos, tintas, papel, solo e minerais, detergentes, impressão e muito mais. ^1-3 Além disso, os colóides podem existir em muitos estados, como emulsões, espumas e suspensões. Usando a nanoscopia de sonda coloidal, pode-se obter informações importantes sobre as propriedades adesivas, energias de ligação e até mesmo obter informações sobre a estabilidade física e a cinética de coagulação dos colóides presentes no interior. Além disso, a nanoscopia de sonda coloidal pode ser usada com células biológicas para auxiliar na descoberta de medicamentos e no desenvolvimento de formulações. Neste artigo, descrevemos um método para realizar nanoscopia por sonda coloidal, discutimos os principais fatores que são importantes a serem considerados durante a medição e mostramos que os dados quantitativos e qualitativos podem ser obtidos a partir de tais medições.

Introdução

Microscopia de força atómica (AFM) é uma técnica que permite a imagiologia quantitativa e qualitativa e sondagem de uma superfície do material. ^4-6 Tradicionalmente, a AFM é utilizado para a avaliação da topografia da superfície, morfologia e estrutura dos materiais multi-fásicos. AFM tem a capacidade de avaliar quantitativamente as interações nano-escala, tais como carga, atração, repulsão e de adesão forças entre uma sonda e substrato específico no ar e meios líquidos ^7,8 A AFM originalmente desenvolvido pela Binning, Quate e Gerber ⁹ usos. uma sonda de conhecida determinada sensibilidade / e constante da mola para se aproximar e / ou digitalização de uma amostra. Devido às interacções físicas entre a sonda e a amostra, o braço de suporte é desviado durante o contacto ou a proximidade e, dependendo do modo de operação, este desvio pode ser traduzido para adquirir a topografia das forças de amostra ou medir presentes entre a sonda e amostra. Modificações para o téc AFMOpaco, como Nanoscopia sonda coloidal, ¹⁰ têm permitido cientista para avaliar diretamente as interações nano-força entre dois materiais presentes em um sistema coloidal de interesse.

Em Nanoscopia sonda coloidal, uma partícula esférica de escolha é anexado ao ápice de um cantilever, substituindo os tradicionais cônicos e piramidais dicas. Uma partícula esférica é ideal para permitir a comparação com modelos teóricos, tais como a Johnson, Kendal, Roberts (JK) ¹¹ e Derjaguin, Landau, Vervwey, Overbeek (DLVO) ^12-14 teorias e para minimizar a influência da rugosidade da superfície na medição. ¹⁵ Estas teorias são utilizadas para definir o mecanismo de contacto e das forças inter-partículas esperados dentro de um sistema coloidal. A teoria DLVO combina as forças de van der Waal atraente e forças eletrostáticas repulsivas (devido a camadas duplas elétricas) para explicar quantitativamente o comportamento de agregação de sistemas coloidais aquosas, enquanto a JTeoria KR incorpora o efeito da pressão de contacto e a adesão ao modelo de contacto elástica entre dois componentes. Uma vez que uma sonda apropriada é produzida, que é usado para se aproximar de qualquer outro material / partículas para avaliar as forças entre os dois componentes. Usando uma ponta de um padrão fabricado será capaz de medir forças interativas entre a ponta e um material de escolha, mas a vantagem de usar uma sonda coloidal custom made permite a medição de forças presentes entre os materiais presentes no sistema estudado. Interacções mensuráveis ​​incluem:.. Adesiva, atractivo, repulsivo, carga, e as forças electrostáticas presentes mesmo entre as partículas ¹⁶ Além disso, a técnica de sonda coloidal pode ser utilizada para explorar as forças tangenciais presentes entre as partículas e material de elasticidade ^17,18

A capacidade de realizar medições em vários meios é uma das principais vantagens da Nanoscopia sonda coloidal. Condições ambientais, líquido mEDIA, ou condições controladas de umidade podem ser usados ​​para simular as condições ambientais do sistema estudado. A capacidade de realizar medições em um meio líquido permite o estudo dos sistemas coloidais em um ambiente que ocorre naturalmente; assim, ser capaz de adquirir quantitativamente dados que é directamente transponível para o sistema no seu estado natural. Por exemplo, as interacções de partículas presentes dentro de inaladores de dose calibrada (MDI) podem ser estudados utilizando um modelo de propulsor líquido com propriedades semelhantes às do propulsor usado no IDC. As mesmas interacções medidos no ar não seria representativo do sistema existente no inalador. Além disso, o meio líquido pode ser modificado para se avaliar o efeito da entrada de humidade, um agente tensioactivo secundário, ou de temperatura sobre as interacções de partículas em um MDI. A capacidade de controlar a temperatura pode ser utilizado para imitar certos passos na fabricação de sistemas coloidais para avaliar o modo como a temperatura, quer na fabricação de ouarmazenamento dos sistemas coloidais podem ter um impacto sobre as interações de partículas.

Medidas que podem ser obtidos utilizando as sondas coloidais incluem; Digitalização Topografia, curvas individuais força-distância, mapas de adesão força-distância, e habita medições força-distância. Principais parâmetros que são medidos utilizando o método Nanoscopia sonda coloidal apresentada neste artigo incluem os valores de energia de separação snap-in, carga máxima, e. Snap-in é uma medida das forças atrativas, máx carregar o valor da força máxima aderência, ea energia separação transmite a energia necessária para retirar a partícula de contato. Estes valores podem ser medidos através de medições instantâneas ou de força habitar. Dois tipos diferentes de medidas de parada incluem deflexão e recuo. O comprimento e tipo de medição de permanência pode ser especificamente escolhido para imitar as interacções específicas que estão presentes no interior de um sistema de interesse. Um exemplo é o uso de deflexão de permanência - que detémas amostras em contato em um valor deflexão desejada - para avaliar as ligações adesivas que se desenvolvem em agregados formados em dispersões. As ligações adesivas formadas podem ser medidos como uma função do tempo, e pode fornecer informações sobre as forças necessárias para redispersar os agregados após armazenamento prolongado. A multiplicidade de dados que podem ser obtidos com este método é uma prova da versatilidade do método.

Protocolo

1. Preparando o coloidal Probe e AFM Substrato

1. Para preparar sondas coloidais, utilizar um método desenvolvido anteriormente pelos autores. ¹⁹
   1. Em resumo, utiliza um suporte de ângulo de 45 ° para fixar uma consola sem pontas, com o ângulo específico de 45 ° (Figura 1A).
   2. Prepara-se uma corrediça de epóxi manchando uma fina camada de epóxi sobre uma lâmina de microscópio. Usar uma espátula limpo ou uma corrente lenta de azoto para assegurar que a camada de epóxi adicionado à lâmina do microscópio é de altura mínima.
   3. Apor o slide epóxi para uma lente de microscópio óptico de 40X zoom usando um suporte de design personalizado (Figura 1B). Em seguida, use o cantilever se aproximar do slide epóxi e adquirir uma pequena quantidade de epóxi sobre o cantilever.
   4. Repita essas etapas para anexar também uma única partícula de interesse no ápice do cantilever (Figura 1C).
2. Prepare o substrato AFM pela aposição par coloidaltigos para uma lamela de AFM utilizando um adesivo de montagem termoplástico.
   1. Aquecer de 35 mm em volta da tampa deslizante para 120 ° C, e aplicar uma pequena quantidade de adesivo para a lamela. A temperatura elevada é necessária para fundir o adesivo termoplástico para aplicação.
   2. Depois arrefecer, a lamela de 40 ° C, antes de limpar o pó das partículas coloidais para a cola. NOTA: A 40 ° C, a cola é suficientemente definido que as partículas não se tornará incorporado na cola, mas a cola é pegajoso suficiente para garantir que as partículas vão aderir ao substrato.
   3. Além disso esfriar a lamela para RT e usar um fluxo suave de nitrogênio para explodir a qualquer excesso de partículas desagregadas.
   4. Lavar várias vezes de substrato com o meio líquido que vai ser usado para medições da sonda coloidal para assegurar que todas as partículas não ligadas são removidas do substrato. NOTA: É importante reduzir os efeitos de partículas de fluxo livre durante a medição, que pode, interagir com o braço de suporte e introduzir erros nos resultados.

2. Montar o coloidal Probe, alinhamento a laser, eo equilíbrio do sistema

1. Colocar a tampa com as partículas coloidais para a metade inferior de uma célula de líquido, certificando-se de que o O-ring está encaixado corretamente para evitar qualquer vazamento.
2. Coloque uma folha transparente hidrofóbico para o palco microscópio para se proteger contra qualquer líquido que possa vazar durante a experiência, especialmente se usando apenas a metade inferior de uma célula de líquido para a medição, e coloque a célula de líquido para o palco microscópio. NOTA: Para simplicidade pode-se usar apenas a metade inferior de uma célula de líquido, uma vez que o sistema pode ser equilibrada de forma adequada; dica - a evaporação muda a condição da medida e os impactos de resultados / leitura.
3. Fixe a sonda coloidal para a cabeça de varredura AFM e montar para a AFM. Com o software de instrumento em AFM, use os botões nocabeça de leitura para trazer a ponta do cantilever em foco. NOTA: Todas as etapas processuais e as medições foram realizadas utilizando um MFP-3D-Bio AFM com software Asylum Research.
4. Para maximizar a intensidade, alinhar o laser na ponta do cantilever usando os botões de ajuste apropriadas na cabeça de digitalização.
5. Permitir que o sistema atinja o equilíbrio durante 5-10 minutos ou até que o valor da deflexão estabiliza. Use o botão de ajuste de deflexão para trazer o desvio de zero ou ligeiramente negativa.
6. Depois que o sistema foi equilibrada no ar, use o software AFM (Painel térmica na janela do Painel Master) para calcular as InvOLS termicamente (sensibilidade) e constante da sonda coloidal primavera. NOTA: Esta sensibilidade será utilizado temporariamente até que a verdadeira sensibilidade é medida após a conclusão da medição (veja o passo 4).
   1. Selecione "Cal Primavera Constant" ou "Cal InvOLS" e depois clique em "capturar dados térmica".
   2. Uma vezum pico proeminente é aparente, parar a captura de dados, e clique para aumentar ao longo do pico principal.
   3. Clique em "Inicializar Fit" seguido de "ajustar os dados de térmicas," para obter a constante da mola calculada automaticamente ou valores InvOLS.
7. Lentamente, adicionar 2 ml de meio líquido para a célula de líquido através de uma seringa e assegurar que não há bolhas de ar em torno do braço de suporte. Re-alinhar o laser, uma vez que o índice de refracção do meio mudou agora, e uma vez novamente equilibrar o sistema, permitindo que o valor de desvio para a estabilizar antes de se ajustar o desvio de volta a zero. NOTA: Se uma grande diferença de temperatura existente entre o ambiente eo líquido, o equilíbrio vai demorar mais tempo.

3. Imaging and Data Acquisition

1. Defina o tamanho da digitalização inicial a 20 mM, velocidade de varredura de 1 Hz, ângulo de leitura para 90 º, definir o ponto para 0,2 V e obter uma varredura da amostra. Ajuste o ganho conforme necessário para obter traço sobrepostoe refazer curvas.
2. Uma vez que uma partícula de interesse for encontrado, zoom imediatamente para que partículas de limitar as interações sonda prolongados com o substrato antes de obter medições de volume vigor.
3. Uma vez ampliada, adquirir uma imagem suficiente de uma única partícula ou porção de uma única partícula. Então mude para o Painel de Força no software. Traga a barra de posição vermelho para a posição mais alta, defina a distância vigor a 5 mm, velocidade de varredura de 0,1 Hz, canal de gatilho para nenhum e realizar uma medição de força única. Certifique-se que a sonda não entre em contato com o substrato.
4. A partir do gráfico única medida obtida, calcular a linha de deflexão virtuais com o botão direito na janela de gráfico, e selecionar a opção "Calcular Virtual Def Line". Isto irá calcular automaticamente a deflexão virtual e atualizar o valor conforme necessário dentro do software.
5. Mude o canal de gatilho para deflexão e definir o ponto de disparo de 20 nm. Defina a dist vigorance de 1 mícron e ajustar a velocidade de varredura se for o caso, dependendo das forças medidas de interesse.
6. Ajustar manualmente o valor para a deflexão Inverse Optical Lever Sensibilidade (InvOLS) no Painel de Revisão da Força após a realização de 2-3 medidas de força único preliminares consecutivos.
   1. Realizar uma medição de força única, em seguida, clique no botão "comentário" no painel de força que abre um Painel Mestre Force.
   2. Destaque a medição de força mais recentemente concluída. De acordo com o "Eixo" título garantir que apenas "DeflV" está marcada. Altere o "eixo X" campo de entrada para "Setembro", usando o menu suspenso e clique em "fazer gráfico."
   3. Clique na aba "Parm" no Painel de Mestre Força e ajustar o valor de "InvOLS" até a região de contato do gráfico é completamente vertical. Em seguida, preencher esse valor no campo "DEFL InvOLS" localizado sob o Cal60; sub-guia na guia Força localizada na janela do Painel de mestre principal.
   4. Repetir este 2-3 vezes para garantir que o valor InvOLS não se altera significativamente.
7. Agora que todos os parâmetros foram estabelecidos, garantir que o nível médio líquido ainda é suficiente e que a deflexão ainda é estável. NOTA: Neste momento, curvas de força única ou mapas de força pode ser obtida. Se medidas de força de permanência são desejados, as opções de permanência pode ser acessado no painel de força.

4. Pós-ajuste de sensibilidade para Análise

1. Após a conclusão da aquisição de medição, medir a verdadeira sensibilidade da sonda coloidal. Para fazer isso, realizar uma medição de força através de um relativamente grande deflexão / força com a sonda coloidal no mesmo meio líquido contra um "infinitamente" superfície dura, tal como a mica. NOTA: A sensibilidade foi obtido após a conclusão dos experimentos, pois a grande deflexão / force pode danificar collosondas Idal preparados com colóides porosos ou frágeis.
2. O declive da região de contacto é usado pelo software para calcular automaticamente a sensibilidade (Figura 2). Utilize este verdadeiro valor da sensibilidade durante a análise de todas as curvas obtidas com essa sonda coloidal específico de dados.

Resultados

Sistemas coloidais líquidos são usados ​​para vários sistemas de entrega de drogas farmacêuticas. Para a entrega de drogas de inalação, um sistema coloidal comum é a suspensão de inalador de dose medida pressurizada (pMDI). Interacções de partículas presentes no pMDI desempenham um papel vital na formulação de estabilidade física, o armazenamento, e uniformidade de administração de fármaco. Neste artigo, as forças inter-partículas entre as partículas porosas à base de lípidos (~ 2 mm de diâmetro médio de partícula óptic...

Discussão

Várias fontes de instabilidade do sistema presente durante líquido Nanoscopia sonda coloidal podem ser facilmente mitigados por meio de procedimentos de equilíbrio adequados. Instabilidades como discutido anteriormente resultar em resultados errôneos e curvas de força que são mais difíceis de analisar objetivamente. Se todas as fontes de instabilidade foram cuidadas e gráficos semelhantes ao que é mostrado na figura 4 estão ainda presentes, outro parâmetro de medição pode ser o motivo. Outros parâmetros...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Sondas sem ponta Veeco Double-Bubble Epoxy	Hardman	4004
Veeco		NP-O10
Partículas Porosas	Pearl Therapeutics
Microscópio de Força Atômica (MFP)	Asilo	MFP-3D
	NanoScience  Instrumentos
35 mm Lamínulas	Asylum	504.003
Tempfix	Ted Pella. Inc.	16030