Controlando o tamanho, forma e estabilidade de Polímeros Supramoleculares na Água

O objetivo geral do experimento a seguir é controlar o tamanho, a forma e a estabilidade de nanopartículas dinâmicas supermoleculares na água. Isso é conseguido pelo design de amplificações dicóticas de automontagem ou polimerização cuja estrutura molecular é revestida para interações atrativas e repulsivas. Isso resulta em um mecanismo de crescimento frustrado, produzindo nanopartículas automontadas em água com uma forma esférica controlada.

Como segundo passo, a concentração de sal da solução aquosa é aumentada, o que enfraquece as interações repulsivas codificadas na estrutura molecular do anfíbio discoteca. Isso induz uma transição esfera para bastonete, dicrowismo circular dependente da temperatura ou investigações espectroscópicas CD ou realizadas para revelar os mecanismos subjacentes dessa transição esfera para bastonete. Além disso, uma combinação de técnicas analíticas, como microscopia eletrônica de transmissão criogênica e ressonância magnética nuclear, são usadas para medir e visualizar a transição de um tipo de agregado para o outro, resultados que mostram que a transição da esfera para a haste é expressa em uma cooperativa aprimorada na polimerização supermolecular.

Isso se origina em uma transição de um processo anticooperativo em nanopartículas de tamanho restrito para um mecanismo de alongamento de nucleação totalmente cooperativo que leva a polímeros supramoleculares muito grandes, neste caso, nano hastes dinâmicas. A principal vantagem de combinar técnicas espectroscópicas como espectroscopia de CD, pequeno anular, espalhamento de raios-x e fazer RM com técnica microscópica como crio é que permite medir e visualizar transições de polímeros supermoleculares em água. Esses polímeros dinâmicos podem responder a estímulos externos, como mudanças na temperatura, mudanças na força do OnX ou mudanças no pH.

A combinação desses métodos é amplamente aplicável e pode ajudar a responder a questões-chave nos campos da química molecular e nanomateriais automontados. Por exemplo, a correlação entre as dimensões dos agregados formados pela automontagem de pequenos blocos de construção moleculares e os mecanismos de formação subjacentes pode ser investigada. As implicações desta metodologia se estendem a uma ampla gama de aplicações bio nanotecnológicas.

Estamos particularmente interessados na área de imagens biomédicas e no desenvolvimento de agentes de contraste nanoparticulados automontados, onde um equilíbrio delicado entre a estabilidade agregada, alto contraste e a capacidade de excretar os agentes de contraste automontados é de suma importância para seu sucesso no uso clínico. Tivemos a ideia de combinar técnicas de caracterização pela primeira vez quando percebemos que mudanças sutis na estrutura molecular dos blocos de construção auto-montáveis podem levar a diferenças fundamentais no mecanismo da polimerização supermolecular. Demonstrando o procedimento estará Paul Beaumont, que é o especialista e responsável pelas instalações criogênicas 10 da Universidade técnica de Trovan.

Comece este protocolo preparando uma solução BTA de gadolínio DTPA em tampão de citrato 100 milimolar, conforme descrito no protocolo escrito. Acompanhando este vídeo, encha um veterinário UV Q de um centímetro com a solução. Insira o veterinário no suporte qve no espectrômetro circular D crowism.

Meça um espectro de CD de 230 a 350 nanômetros. Em seguida, meça uma curva de resfriamento do CD na banda de CD de intensidade mais alta de 363 a 283 kelvin a uma taxa de um kelvin por minuto. Em seguida, adicione o mesmo volume de solução tamponada com cloreto de sódio de dois molares à solução tamponada com citrato de BTA gadolínio DTPA.

Isso aumentará a força iônica para um molar de cloreto de sódio e diluirá as discotecas para metade da concentração. Vortex a solução com força iônica aumentada por 40 segundos após o aumento da força iônica, meça novamente um espectro de CD de 230 a 350 nanômetros. Em seguida, meça uma curva de resfriamento do CD na banda de CD de intensidade mais alta de 363 a 283 kelvin a uma taxa de um kelvin por minuto.

Exporte os dados brutos do CD para a origem 8.5. Normalize os espectros definindo o efeito CD na temperatura medida mais alta como igual a zero e o efeito CD na temperatura medida mais baixa como igual a um, uma vez que a magnitude do efeito CD é proporcional ao grau de agregação, as curvas CD normalizadas são proporcionais ao grau de agregação. Os dados normalizados são ajustados usando uma opção de ajuste de curva não linear no origin Pro 8.5 com um modelo de automontagem dependente da temperatura.

Neste modelo, distinguem-se um regime de nucleação e um regime de alongamento. Primeiro, ajuste o grau de agregação no regime de alongamento. Nesta equação, T representa a temperatura variável.

PHI N é a helicidade líquida, que é proporcional ao grau de agregação, e HE é a entalpia molecular de alongamento. T TE representa a temperatura de alongamento, que é a temperatura na qual a automontagem começa a se tornar termodinamicamente favorável. O fator de normalização fiat é introduzido para garantir que Phi N sobre fiat não exceda a unidade, o que decorre da restrição de que o grau de agregação não pode exceder.

O ajuste da unidade permite extrair a entalpia de alongamento em joias por mol e a temperatura de alongamento em Kelvin que caracteriza a automontagem das moléculas para uma determinada concentração. Ao ajustar, obedeça-se a restrição de que apenas o grau de agregação em temperaturas abaixo de TE deve ser ajustado, uma vez que a equação só é válida no regime de alongamento após o ajuste da primeira equação, o único parâmetro desconhecido na equação do regime de nucleação é a constante de ativação ka, que descreve a cooperativa da polimerização supramolecular. Para encontrar o ajuste da constante de ativação, o grau de agregação encontrado experimentalmente para temperaturas acima de TE no regime de nucleação.

Comece preparando soluções para microscopia eletrônica, conforme descrito no texto. Prepare brevemente dois tampões, um tampão de citrato de 100 milimolares e um tampão de citrato de 100 milimolares com cinco molares de dissolução de cloreto de sódio, BTA gadolínio DTPA em 0,1 mililitros de cada um dos tampões preparados para atingir uma concentração deco de um milimolar. Em seguida, o plasma trata uma grade revestida de carbono de folha de quanti usando uma máquina de carbono C Resington 2 0 8 operando a cinco miliamperes por 40 segundos.

O procedimento de vitrificação é uma etapa crucial da criocriogenia, pois garante que uma fina camada de ISIS brilhante produzida em seja adequada para análise TAM. A solução aquosa é aplicada na grade durante a vitrificação em um bot automatizado da FEI vitro. Isso envolve a aplicação da amostra na grade, o blotting do excesso de líquido para criar uma película fina da solução aquosa na grade e a subsequente vitrificação mergulhando a grade muito rapidamente no líquido Ethan.

Após a vitrificação, transfira a grade tratada em nitrogênio líquido para preservá-la e, em seguida, transfira manualmente a grade de amostra para um de carregador automático, que também é resfriado com nitrogênio líquido. O próximo passo é inserir o no TUE cryo Titan, TEM auto Loader. O TUE Cryo Titan está equipado com uma pistola de emissão de campo operando a 300 quilovolts.

A gravação das imagens TAM requer experiência e manuseio rápido. Isso ocorre porque o feixe de elétrons de alta energia danifica a amostra durante a aquisição de imagens Grave imagens usando uma câmera CCD equipada com um filtro de energia pós-coluna. Como o gadolínio é altamente paramagnético e os sinais de prótons seriam ampliados significativamente, uma discoteca diferente foi usada onde o gadolínio foi substituído por ítrio diamagnético e uma solução de átrio BT.

O DTPA está preparado. Calcule quantos miligramas de DTPA de átrio BT com um peso molecular de 2.979 gramas por mol são necessários para atingir uma concentração alvo de um milimolar. Prossiga para dissolver a quantidade determinada de DTPA de átrio BT em tampão succinato reduzido de 50 milimolares em D dois O após pipetar 0,6 mililitros da solução resultante em um wilm, um tubo de RMN de LABAs.

Insira a amostra em uma unidade variante no espectrômetro Nova 500 equipado com uma sonda I-D-P-F-G de cinco milímetros da Varian. Realize os experimentos DOI conforme discutido no texto após registrar uma RMN de prótons padrão, adaptando o pulso de 90 graus e otimizando os tempos de mistura de acordo. A sequência de pulso único DOI de é usada após determinar a autodifusão de HDO na sonda de referência ovariana, e na amostra o coeficiente de difusão dos agregados é determinado a partir do qual o raio hidrodinâmico pode ser calculado.

Finalmente, calcule os raios hidrodinâmicos RH dos agregados usando a relação de Stokes Einstein para a difusão de uma partícula esférica. O caráter iônico dos complexos DTPA de gadolínio periférico introduz frustração no crescimento unidimensional dos monômeros de discoteca cujo núcleo é projetado para polimerizar em agregados semelhantes a bastonetes alongados. O equilíbrio entre interações atrativas e repulsivas controla o tamanho e a forma dos agregados.

Uma técnica poderosa para determinar o tamanho e a forma das partículas e da solução é a fonte síncrotron. Dispersão de raios X de pequeno ângulo ou é uma. BTA gadolínio DTPA foi dissolvido em solução tampão citrato e os perfis de sucção foram registrados em duas concentrações diferentes.

Uma inclinação próxima de zero na região Q baixa indica falta de forma e isotropia no agregado, sugerindo a presença de objetos esféricos. Os dados medidos em diferentes concentrações foram ajustados usando um fator de forma esférico monodisperso homogêneo levando a um raio calculado de 3,2 nanômetros. O raio geométrico calculado da discoteca monomérica, BTA gadolínio DTPA é de 3,0 nanômetros, que a presença agrega com uma proporção próxima a um, a fim de fornecer mais evidências para a forma esférica e o tamanho nanométrico dos objetos automontados.

Foi realizada espectroscopia de RMN ordenada por difusão de prótons. A RMN DOI permite a determinação dos coeficientes de difusão dos agregados supermoleculares a partir dos quais seu raio hidrodinâmico pode ser calculado. O coeficiente de difusão do amplificador dicótico diamagnético agregado em um tampão succinato deuterado foi determinado em 0,69 vezes 10 elevado à potência menos 10 metros quadrados por segundo por meio da relação de Stokes Einstein.

Um raio hidrodinâmico de 2,9 nanômetros foi calculado para os objetos discretos de tamanho esférico. Este tamanho é uma excelente concordância com o valor obtido a partir dos dados SOX para BTA gadolínio DTPA. Outras evidências de controle bem-sucedido sobre o comprimento da pilha unidimensional foram obtidas a partir de micrografias criogênicas de TEM.

O BTA gadolínio DTPA produz os objetos esféricos esperados com diâmetros próximos a seis nanômetros em uma concentração de um milimolar, o que confirma os resultados das medições de so e DOI. A formação de bastonetes de alta proporção, como polímeros supramoleculares, é claramente observada em micrografias criogênicas com alta força iônica. A triagem eletrostática é a explicação mais provável para esse achado.

A forma muda de um agregado esférico de cerca de seis nanômetros de diâmetro para hastes alongadas com um diâmetro de seis nanômetros e um comprimento de até várias centenas de nanômetros. Os espectros CD à temperatura ambiente de BTA Gadolínio DTPA com concentração crescente de sal são mostrados aqui. A concentração de DTPA de gadolínio BTA é oito vezes 10 elevado a menos três milimolares em baixa força iônica e quatro vezes 10 elevado a menos três milimolares em alta força iônica.

Embora uma concentração significativamente menor seja aplicada para as medições de CD, o efeito algodão transparente indica a presença de agregados intactos, mesmo em concentrações micromolares. A forma do espectro do CD muda com o aumento da concentração de sal, o que é uma boa indicação para interações repulsivas reduzidas na periferia das pilhas e empacotamento aprimorado das decos. Além disso, as curvas de resfriamento de CD das mesmas soluções mostram diferenças distintas na forma.

A temperatura na qual a agregação começa muda para temperaturas mais altas com maior concentração de sal. Um mecanismo cada vez mais cooperativo também se torna aparente caracterizado por um aumento mais abrupto no efeito CD, enquanto a curva de resfriamento em cloreto de sódio molar zero é melhor descrita por um modelo de automontagem ISO smic indicativo de um processo anticooperativo. A curva de resfriamento a 1,0 molar de cloreto de sódio é típica para um processo cooperativo de automontagem e pode ser descrita por um modelo de alongamento de nucleação quantificando os parâmetros termodinâmicos da automontagem de BTA gadolínio DTPA em zero e um molar de cloreto de sódio.

O uso de um modelo cooperativo revela claramente a diminuição de ka, que é a ativação adimensional. Constante. Valores mais baixos de KA indicam um maior grau de cooperação no processo de automontagem, que se expressa na formação de polímeros supramoleculares altamente alongados. Como observado no MET criogênico Ao tentar as técnicas experimentais demonstradas, é importante lembrar que apenas uma combinação de métodos experimentais levará a uma descrição geral significativa dos nanomateriais dinâmicos sob investigação.

Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de quão amplamente aplicável é nossa abordagem experimental combinada e como ela pode ajudar a responder a perguntas-chave no campo de nanomateriais automontados e super poemas.