Самосвечение гибридных липидных мембран с гидрофобными органическими молекулами на водно-воздушном интерфейсе
May 1st, 2020
Мы сообщаем о протоколе для производства гибридной липидной мембраны на водно-воздушном интерфейсе путем применения допинга липидным билейером с медью (II) 2,9,16,23-тетра-терт-бутил-29Н,31H-фталокянин (CuPc) молекул. Полученная гибридная липидная мембрана имеет липидную/cuPc/липидную структуру сэндвича. Этот протокол также может быть применен к формированию других функциональных наноматериалов.
Наш протокол демонстрирует простой метод изготовления органических молекул допинг гибридных липидных мембран. Воздушно-стабильное свойство мембраны может распространить применение липидной двухслойной структуры на твердотопливные устройства. Мы используем процесс самос сборки для формирования гибридных липидных мембран толщиной в несколько нанометров.
Этот протокол прост и прост в использовании и не требует сложного оборудования. Этот метод может быть использован для изготовления других же биогибридных липидных мембран и может быть легко принят как на датчики, так и на другие устройства зондирования. Работая в анаэробном перчаточном ящике, растворяйте медный фталокянин в хлороформе внутри промытого стеклянного флакона, чтобы подготовить 10 миллиграмм на миллилитр медного фталокянина.
Фильтровать раствор через мембрану PTFE 0,2 микрометра. Смешайте решение DPHPC с вихревой смесителем при 2300 об/мин в течение 10 секунд. Затем промыть стеклянный микро-шприц хлороформом пять раз и использовать его для передачи 200 микролитров раствора в предварительно промытый стеклянный флакон.
Испарить растворитель во флаконе с нежным потоком азота. Промыть еще один стеклянный микро-шприц с хлороформом, а затем использовать его, чтобы добавить 200, 2,6 микролитров хлороформа в стеклянный флакон с DPHPC. Добавьте 47,4 микролитера фильтрованного раствора из запасов меди фталокянина в раствор DPHPC, что должно привести к соотношению моляров 10 к одному DPHPC к фталоцианину.
Используйте еще один чистый шприц, чтобы добавить 250 микролитров шестиугольного к раствору. Затем смешайте его с вихревой смеситель при 2300 об/мин в течение 10 секунд. Фильтровать подготовленный раствор через мембрану PTFE 0,2 микрометра.
Вырезать три на три сантиметра кремниевых субстратов из кремниевой пластины. Затем очистить их в ультразвуковой ванне в течение 10 минут в очищенной воде, а затем этанол, а затем хлороформ. Лечить субстраты кислородной плазмой в течение пяти минут, чтобы удалить адсорбные органические материалы с поверхности и улучшить гидрофилитику.
Вымойте стакан PTFE с проточной очищенной водой в течение трех минут. Затем положите очищенный кремниевый субстрат в стакан, наклоненный под небольшим углом. Налейте достаточное количество очищенной воды в стакан до тех пор, пока весь силиконовый субстрат не будет погружен.
Возьмите подготовленный гибридный раствор из морозильной камеры и дайте ему прогреться до комнатной температуры. Затем перемешать его с вихрем смеситель на 2, 300 об /мин в течение 15 секунд. Используйте промытый 50 микролитер микро-шприц, чтобы сбросить три-пять микролитров гибридного раствора на поверхность воды, образуя плавающую гибридную липидную мембрану.
Чтобы перенести мембрану на силиконовый субстрат, испарите органический растворитель и откачать воду из стакана перистальтическим насосом со скоростью три миллилитров в минуту. После завершения процесса передачи поместите силиконовый субстрат на чистый стеклоочиститель комнаты и дайте всей остаточной воде испариться. Образовавая гибридная липидная мембрана имеет однородный светло-голубой цвет из-за присутствия молекул меди фталокянина и площадью в несколько квадратных сантиметров.
Здесь показаны конфокальные микроскопии изображения и атомной силы микроскопии изображения мембраны на кремниевом субстрате. На снимке AFM мембрана в левом верхнем слева толщиной 79,4 нанометров, а в правом нижнем - тонкая с толщиной 4,9 нанометров. Тонкая мембрана показывает поверхностную шероховатость 0,4 нанометров, что близко кдриту очищенного кремниевого субстрата.
Для дальнейшего исследования состава гибридной мембраны на кремниевом субстрате был использован энергодисперсивный рентгеновский анализ. Атомные соотношения репрезентативных элементов, таких как медь, фосфор, азот и углерод, составили 0,33, 0,97, 4,06 и 68,56% соответственно. Теоретическое отношение моляра меди к фосфору, к азоту, к углероду должно быть один, к трем, к 11, к 192, что близко к измеренному соотношению элемента в гибридной мембране, что указывает на то, что соотношение между липидами и молекулами меди фталокянина сохраняется после формирования пленки и процессов передачи.
Путем допинга липидных мембран с другими наноматериалами, такими как графен или ментол наночастицы, наногибридные мембраны с различными функциями могут быть легко сформированы.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Обзор
В данной статье представлен протокол по созданию гибридных липидных мембран, легированных фталлоцианином меди (II) (CuPc), на границе раздела вода/воздух. Метод использует процесс самосборки для создания сэндвичевой структуры липид/CuPc/липид, что повышает стабильность и применимость липидных бислоев в твердотельных устройствах.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Биофизика
- Материаловедение
- Нанотехнологии
Бакграунд
- Гибридные липидные мембраны сочетают органические молекулы с липидными бислоями.
- Фталлоцианин меди известен своей стабильностью и электронными свойствами.
- Традиционные липидные мембраны имеют ограничения в твердотельных приложениях.
- Техники самосборки имеют решающее значение для создания наноматериалов.
Цель исследования
- Разработать прямолинейный метод создания гибридных липидных мембран.
- Исследовать потенциальные применения этих мембран в сенсорах и устройствах.
- Продемонстрировать простоту протокола для исследователей.
Используемые методы
- Растворяем CuPc в хлороформе для приготовления стартовой смеси.
- Используем процесс самосборки на границе раздела вода/воздух.
- Создаем мембраны толщиной несколько нанометров.
- Проводим эксперименты в анаэробном перчатке.
Основные результаты
- Гибридные липидные мембраны проявляют стабильность в воздухе.
- Протокол простой и не требует сложного оборудования.
- Мембраны могут использоваться в различных сенсорных приложениях.
- Метод пригоден для создания других биогибридных липидных мембран.
Выводы
- Разработанный протокол способствует созданию функциональных гибридных мембран.
- Эти мембраны имеют потенциальные применения в твердотельных устройствах.
- Простота метода способствует более широкому его применению в исследованиях.
Часто задаваемые вопросы
Executive Industry Relevance
This protocol enables the creation of stable hybrid lipid membranes doped with organic nanomaterials, offering a scalable approach to functionalize lipid bilayers for solid-state biosensing platforms. By integrating hydrophobic molecules like copper phthalocyanine into lipid assemblies, the method supports early-stage target validation and assay development through tunable membrane properties. The air-stable, transferable nature of these membranes facilitates integration into device workflows, reducing biological risk in preclinical screening and enabling reproducible compound evaluation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of lipid-nanomaterial interactions to clarify mechanisms of membrane perturbation and compound partitioning.
- Operational Value: Provides a reproducible, solvent-based self-assembly process that requires only standard lab equipment such as syringes, vortex mixers, and nitrogen streams.
- Predictive Value: Supports mechanistic de-risking by allowing controlled doping of lipid membranes to model compound-lipid affinity and membrane fluidity changes.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantifiable hybrid membranes with tunable thickness (4–80 nm) and composition, enabling standardized readouts for membrane-associated assays.
- Operational Value: Yields air-stable films transferable to silicon substrates, allowing direct integration with optical, electronic, or AFM-based detection systems.
- Scalability: The protocol produces uniform membranes over several square centimeters, supporting parallel screening and platform reuse across projects.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Maintains lipid-to-dopant molar ratios post-transfer, ensuring consistent membrane composition for reliable preclinical modeling.
- Biomarker Alignment: Enables incorporation of fluorescent or electroactive nanomaterials to serve as translational biomarkers in membrane integrity or drug response studies.
- Risk-Adjusted Advancement: Allows early assessment of nanomaterial effects on bilayer stability, informing go/no-go decisions in lead optimization.
Pipeline & Workflow Integration
This method fits within the discovery continuum from early target validation through assay development to preclinical screening, particularly for targets involving membrane interactions or lipid-modulating compounds.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on how hydrophobic compounds partition into or alter lipid bilayer structure and dynamics.
- Screening: Delivers assay-ready, reproducible membranes with quantifiable thickness and uniformity for compound-library evaluation.
- Analytics: Enables compositional verification via energy dispersive X-ray analysis, confirming dopant retention and lipid integrity post-assembly.
- Translational Research: Facilitates continuity from discovery to preclinical work by producing stable, transferable membranes suitable for device integration.
- Enterprise Reuse: Establishes a modular platform for doping lipid membranes with diverse nanomaterials (e.g., graphene, menthol nanoparticles) to generate multifunctional biosensors.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in membrane-target interactions by enabling controlled, quantifiable nanomaterial incorporation.
- Operational Value: Delivers standardization and reproducibility through a simple, equipment-light protocol suitable for multi-lab adoption.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early-stage de-risking of membrane-active compounds, reducing late-stage attrition.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of leads based on membrane stability and compound-lipid partitioning profiles.
Implementation Considerations
- Requires expertise in lipid handling, solvent evaporation, and interfacial self-assembly techniques.
- Depends on access to anaerobic glove boxes, nitrogen streams, vortex mixers, and PTFE filtration systems.
- Necessitates standardization of substrate cleaning (water, ethanol, chloroform, oxygen plasma) and solution preparation for batch consistency.
- Adaptation to other nanomaterials requires optimization of solubility, molar ratios, and solvent compatibility.
- Practical limitations include sensitivity to humidity during transfer and the need for cleanroom conditions to avoid substrate contamination.
