Summary
Une approche efficace pour la préparation de nanofibres décorées avec des groupes fonctionnels capables d'interagir spécifiquement avec les protéines est décrit. La première approche nécessite la préparation d'un polymère fonctionnalisé avec le groupe fonctionnel approprié. Le polymère fonctionnel est fabriqué en nanofibres par électrofilage. L'efficacité de la fixation des nanofibres avec une protéine est étudiée par microscopie confocale.
Abstract
Électrofilage est un procédé de traitement efficace pour la préparation de nanofibres décorées avec des groupes fonctionnels. Nanofibres décorées avec des groupes fonctionnels peuvent être utilisées pour étudier les interactions matériau-biomarqueurs dire agissent en tant que biocapteurs ayant un potentiel en tant que détecteurs de molécules uniques. Nous avons développé une approche efficace pour la préparation de polymères fonctionnels où la fonctionnalité a la capacité de se lier spécifiquement avec une protéine modèle. Dans notre système modèle, le groupe fonctionnel est le 2,4-dinitrophényle (DNP) et la protéine est anti-DNP IgE (immunoglobuline E). Le polymère fonctionnel, α, ω-bi [2,4-dinitrophényle caproïque] [poly (oxyde d'éthylène)-b-poly (2-méthoxystyrène)-b-poly (oxyde d'éthylène)] (CDNP-PEO-P2MS-PEO- CDNP), est préparé par polymérisation anionique vivante. L'amorceur bifonctionnel utilisé dans la polymérisation est préparé par réaction de transfert d'électrons de α-méthylstyrène et de potassium (miroir) en métal. Le monomère 2-méthoxystyrène on ajouted'abord à l'initiateur, suivi par l'addition du deuxième monomère, de l'oxyde d'éthylène, et finalement le polymère vivant a été arrêtée par le méthanol. L'α, ω-dihydroxy polymère [HO-PEO-P2MS-POE-OH] a été mis à réagir avec de l'acide caproïque N-2 ,4-DNP-amino-∈, par couplage DCC, conduisant à la formation d'α, ω-bi [ 2,4-dinitrophenylcaproic] [poly (oxyde d'éthylène)-b-poly (2-méthoxystyrène)-b-poly (oxyde d'éthylène)] (CDNP-PEO-P2MS-PEO-CDNP). Les polymères ont été caractérisés par FT-IR, RMN 1 H et chromatographie sur gel perméable (GPC). Les distributions de poids moléculaire des polymères étaient étroites (1.1-1.2) et de polymères de poids moléculaire supérieur à 50.000 a été utilisée dans cette étude. Les polymères sont des poudres jaunes et solubles dans le tétrahydrofuranne. Soluble dans l'eau CDNP-POE-P2MS-POE-CNDP / DMEG (glycol dimethoxyethylene) se lie et réalise contraignant l'état d'équilibre avec une solution d'IgE en quelques secondes. Poids moléculaire plus élevé (c.-à-insoluble dans l'eau environ 50.000) EURP-SP-P2MS-PEO-CDNP polymères, contenant 1% de nanotubes de carbone à paroi (SWCNT) ont été transformés en nanofibres électroactifs (100 nm à 500 nm de diamètre) sur substrat de silicium. Spectroscopie de fluorescence montre que les IgE anti-DNP interagit avec les nanofibres en se liant avec les groupes fonctionnels DNP décorer les fibres. Ces observations suggèrent que nanofibres fonctionnalisés de manière appropriée prometteuses pour développer dispositif de détection de biomarqueurs.
Protocol
1. Synthèse d'α, ω-dihydroxy polymère [HO-PEO-P2MS-POE-OH]
- Assembler réacteur de polymérisation comme le montre la Figure 1. Le réacteur pour cette expérience sont constitués d'un fond rond de 100 ml 2-cols ayant un joint extérieur cône standard (Chemglass), deux adaptateurs de contrôle d'écoulement de robinets d'arrêt (Chemglass), et une tige d'agitation en téflon. Un adaptateur (Figure 1) a été utilisé pour garder ultra haute pureté (UHP) d'azote circulant dans le système afin d'éviter que l'air et l'humidité de pénétrer dans le système inerte. Adaptateur B (figure 1) a été utilisée pour injecter le solvant, le monomère et l'initiateur dans le ballon réactionnel.
- Sécher 200 ml de tétrahydrofurane (THF) sur le métal Na, en utilisant la benzophénone comme indicateur, pour un minimum de 6 heures sous atmosphère d'azote sec.
- Séchez 10 ml de 2-méthoxystyrène sur hydrure de calcium pendant 24 heures.
- Préparer un bain froid maintenu à -78 ° C en utilisant une suspension d'isopropanol unl'azote liquide e.
- Ajouter 25 ml de THF dans le ballon de réaction de polymérisation (voir figure 1) sous atmosphère d'azote et de garder réacteur sous atmosphère d'azote tout au long de la polymérisation.
- Placer 100 ml flacon à fond rond en boue.
- Ajouter 2 ml (0,27 mmol / ml) de la solution d'amorceur dans le ballon réactionnel.
- Injecter le premier monomère, 2-méthoxystyrène (4 ml) dans le flacon de réaction.
- Laisser la réaction se poursuivre pendant 40 min.
- Ajouter 1 ml de la deuxième monomère, de l'oxyde d'éthylène.
- Permettre à la polymérisation de continuer à température ambiante pendant deux jours.
- Terminez le polymère avec du HCl (6 M) / méthanol (1/20, v / v).
- Purifier le polymère par précipitation dans l'hexane et le polymère sec dans un four sous vide.
- Caractériser le polymère par RMN.
2. La fonctionnalisation des α, ω-dihydroxy polymérisé avec l'acide caproïque N-2 ,4-DNP-Ε-amino pour obtenir le Polym fonctionnelleer, CDNP-POE-P2MS-POE-CNDP
- Dans un ballon à trois cols, placez le α, ω-dihydroxy polymère (0,05 mmol), l'acide N-2 ,4-DNP-E-amino caproïque (0,25 mmol), de DCC (0,15 mmol) et de DMAP (0,005 mmol) et de sécher sur la ligne vide pendant 4 heures.
- Distiller du dichlorométhane sec (10 ml) dans le flacon.
- Relâchez le vide sous azote et remuer réaction pendant 12 heures à température ambiante.
- Mélange réactionnel Filtrer et récupérer polymère par précipitation deux fois dans l'hexane et le méthanol.
- Sec précipité polymère dans une étuve sous vide à 40 ° C.
- Déterminer la structure du polymère et de la fonctionnalité par FT-IR et RMN 1 H.
3. Préparation de la solution pour CDNP-PEO-P2MS-PEO-CDNP/SWCNT Électrofilage
- Dissoudre 20% en poids de CDNP-POE-P2MS-POE-CNDP dans le chlorobenzène.
- Dissoudre 20% en poids et 40% en poids de polystyrène (MW 800.000) dans du chlorobenzène pour préparer deux solutions. Plus polystyrène moléculaire est utilisé pour de pluse polymère à chaîne à chaîne enchevêtrement et obtenir la viscosité optimale requise pour électrofilage.
- Mélanger les solutions de polymères préparés en 3.1 et 3.2 pour former 1:1 et 1:2 ratios des polymères et ajouter 1% en poids de nanotubes de carbone à paroi simple (SWCNT) au mélange et agitation pendant une nuit pour une répartition uniforme des nanotubes de carbone.
4. Électrofilage de polymère-CNT composite
- Assemblez le électrofilage mis en place comme le montre la figure 2. Sur le côté droit de la figure est la source de tension haute Glassman. A côté se trouve un statif sur lequel la plaquette de silicium est attaché. A gauche se trouve un autre statif sur lequel la seringue est monté et il est derrière la lampe pour la visualisation de la procédure telle qu'elle progresse.
- À l'aide d'une seringue hypodermique, retirer une petite quantité du mélange CDNP-PEO-P2MS-PEO-CDNP/polystyrene/SWCNT (environ 1 ml) et monter la seringue hypodermique sur le statif.
- Une tranche de silicium est le monted face de la seringue en toute sécurité, à une distance de 10 cm, et la pince de masse de la source de haute tension est fixé à celui-ci.
- Fixez le clip portant la haute tension à appliquer à l'aiguille de la seringue, appuyer sur le piston un peu (de suspendre une goutte sur la pointe de l'aiguille) et à ce stade, électrofilage est prêt.
- Puissance de la source de haute tension et ajuster voltmètre à 10 kV. En fonction de la nature des polymères dans le composite, des tensions plus élevées peuvent être nécessaires, surtout si nanofibres de moins d'une centaine de nanomètres de diamètre sont souhaitées.
- Plaquette de silicium Démonter et le placer dans un dessiccateur pendant la nuit pour sécher complètement.
5. Caractérisation des nanofibres
- Imagerie initiale de nanofibres se fait au microscope optique pour observer la perspective globale des fibres.
- Utiliser microscope électronique à balayage pour observer des détails plus fins comme la morphologie, le diamètre, la taille moyenne des pores, etc
- Porterà l'imagerie en outre avec un microscope à force atomique pour observer la topographie en 3-D des fibres, etc
6. Spécificité de liaison de nanofibres avec anti-DNP IgE protéines
- Préparer une solution de 4 ug / l marqué par fluorescence FITC-IgE (fluorescéine isothiocyanate-immunoglobuline E) dans du PBS-BSA (Phosphate Buffered Saline-albumine bovine sérique) solution.
- Placer un petit morceau de galette de silicium sur laquelle il ya nanofibres sur une lamelle MatTek bien. Incuber les nanofibres dans cette solution pendant une heure. L'incubation se fait en pipetant doucement sur, 10 ul IgE solution sur la plaquette de silicium.
- Après incubation, éliminer non liée par lavage IgE échantillon trois fois avec la solution tampon PBS-BSA. La solution est distribuée PBS doucement sur la paroi de la cuvette MatTek, afin d'éviter presser le tampon directement sur les nanofibres. Agiter le plat délicatement à la main, pour distribuer la solution tampon sur des nanofibres. Retirez délicatement un tampon avec une pipette et retourbe ceci deux fois plus.
- Pour le contrôle, en nanofibres incuber IgG marqué par fluorescence (non spécifique pour DNP) dans les mêmes conditions.
- Visualisez les fibres liées avec un microscope confocal pour observer la liaison avec les IgE. Pour notre étude, le microscope confocal Leica utilisé était TCS SP2 avec 63x de l'objectif.
7. Courant-tension Comportement des nanofibres
- Connectez deux positionneurs micro à une source de courant très faible comme le Keithley 6430 SourceMeter sensible. La mise en place pour déterminer le comportement de la tension actuelle est indiquée sur la figure 3. Cette figure montre la station de la sonde utilisée pour déterminer les caractéristiques initiales IV des nanofibres. Il est composé de l'Bausch and Lomb MicroZoom Microscope, une scène vide Chuck, et quatre micropositionneurs utilisés dans le sondage. En haut à droite est l'Agilent 34405A Multimètre numérique utilisé pour mesurer la tension et au-dessous qui est la Keithley 6430 Sous-femtoampère compteur source éloignée utilisé à la source des courants faibles qui étaient entrées dans les fibres.
- Monter les tiges de sonde de micro-positionneurs sur le mat de fibres sur des côtés opposés de l'extrémité touchant les fibres.
- Connectez deux autres positionneurs micro à un multimètre numérique, monter les bras de la sonde en entre les deux autres et débarquer les astuces sur le mat de fibres. Assurez-vous que les quatre conseils sont aussi colinéaires que possible.
- Entrée des quantités variables de courant de la Keithley (typiquement dans la gamme nA).
- Mesurer la chute de tension à travers les pointes extérieures, pour chaque amplitude du courant de source.
- Tracer ces valeurs indiquent le type de dispositif, le mat de fibres agit comme.
8. Les résultats représentatifs
Polymères fonctionnels
"> Procédé pour la synthèse d'α, ω-bi [2,4-dinitrophényle caproïque] [poly (oxyde d'éthylène)-b-poly (2-méthoxystyrène)-b-poly (oxyde d'éthylène)] (-PEO-CDNP P2MS-POE-CNDP) est montré dans la figure 4. 1 La structure du polymère fonctionnel a été confirmé par FT-IR (Figure 5) et 500 MHz 1 H RMN (Figure 6). Le FT-IR montre la disparition totale de -OH absorption large autour de 3500 cm -1, indiquant fonctionnalisation quantitative avec le groupe CNDP. Ceci est également confirmé par le spectre RMN montre la figure 6. Utilisation de l'intégration des pics dans le spectre RMN, il a été déterminé que le CNDP-PEO polymères-P2MS-POE-CNDP sont quantitativement fonctionnalisés.Nanofibres
Dans la figure 7, un tapis de nanofibres conducteurs obtenus par électrofilage CDNP-POE-P2MS-POE-CNDP / polystyrène / SWCNT du chlorobenzène est shpropre. Les images confocales obtenus ont montré que la protéine IgE se lie avec le DNP sur la surface de la fibre. 3 Il s'agit d'une indication de la spécificité de liaison de électrofilées DNP-polymères en vue d'anticorps IgE. L'intensité de la lumière est un indicateur de la présence d'IgE sur les nanofibres que la protéine est étiqueté par fluorescence.
Figure 8a est un AFM (Atomic Force Microscope) l'image de l'un des nanofibres obtenues par ce procédé et la figure 8b montre la dimension de ce nanofibres particulier est d'environ 150 nm de diamètre. Par ce procédé, les fibres entre 100-700 nm sont obtenues. A cette heure, il est difficile de préparer des fibres avec une dimension spécifique. Ceci est cohérent avec ce qui est observé par d'autres groupes. 4 Figure 9 montre des images de microscopie électronique à balayage CDNP-POE-P2MS-POE-CNDP / polystyrène / SWCNT nanofibres et le diamètre des nanofibres étaient entre 200 nm et 300 nm. Il ya trois SEM des images des nanofibers montré à différents grossissements. Étude des trois images montre la morphologie des fibres sont linéaires et de perles. L'objectif général est de préparer des fibres qui sont la plupart du temps linéaire. La figure 10 montre le graphique IV de tapis de nanofibres préparés à partir de CDNP-POE-P2MS-POE-CNDP / polystyrène / SWCNT. Le graphique montre le comportement d'une résistance (ohmique). Lorsque l'antigène est lié aux nanofibres, nous nous attendons à voir un changement dans le comportement IV du mat de fibres que ce changement de résistance est une caractéristique qui donne à penser que les fibres fonctionnelles ont des applications potentielles comme composant actif dans les capteurs pour la détection de molécule unique .
Figure 1. Réacteur de polymérisation pour la synthèse de l'α, ω-dihydroxy polymère. A) le point d'injection de l'azote gazeux de débit UHP. B. Point d'injection) pour le solvant, un monomère, et un initiateur. C) La réaction récipient.
Figure 2. Configuration utilisée pour électrofilage l'aide d'une source de tension élevée Glassman.
Figure 3. Configuration utilisée pour mesurer les parcelles IV à l'aide d'un sous-femtoampère distance SourceMeter (Keithley).
Figure 4. Une approche). Synthétique pour la préparation OH-PEO-P2MS-POE-OH polymères. B) Fonctionnalisation de α, ω-dihydroxy [poly (oxyde d'éthylène)-b-poly (2-méthoxystyrène)-b-poly (oxyde d'éthylène)].
Figure 5. FT-IR de (A) OH-PEO-P2MS-POE-OH, précurseur de CDNP-PEO-P2MS-PEO-CDNP et (B) CDNP-PEO-P2MS-PEO-CDNP.
Figure 6. 500 MHz RMN du proton du CNDP-POE-P2MS-POE-CNDP.
Figure 7. A l'image) La liaison de FITC-IgE avec CDNP-POE-P2MS-POE-CNDP fibres électrofilées de chlorobenzène. B) Image au microscope confocal de la commande (nanofibres avec IgG).
Figure 8. A l'image) de l'AFM CDNP-POE-P2MS-POE-CNDP fibres électrofilées de chlorobenzène et B) AFM profil soit la dimension d'une fibre montré sur la figure 5a.
Figure 9. Images MEB de CDNP-POE-P2MS-POE-CNDP / polystyrène / SWCNT nanofibres.
Figure 10. Parcelle IV de tapis de nanofibres préparés à partir de CDNP-POE-P2MS-POE-CNDP / polystyrène / SWCNT.
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Discussion
Dans ce rapport, nous avons présenté une approche puissante pour la préparation de nanofibres biofonctionnels. Les nanofibres sont décorées à un groupe fonctionnel qui est spécifique à une protéine modèle. La procédure et l'approche rapportés dans la présente communication est de nature générale et peuvent être utilisés pour préparer des nanofibres décorées avec un groupe fonctionnel désiré. La polymérisation anionique vivante est une méthode puissante pour synthétiser des structures polymères contrôlées de façon covalente connectés à un certain nombre de groupes fonctionnels intéressants ou fonctionnels qui sont spécifiques à des biomarqueurs d'intérêt particuliers. Polymérisation anionique vivante est bien établi pour le monomère 2-méthoxystyrène 2. Électrofilage est une technique souple en ce que les dimensions de la fibre peut être facilement contrôlé en changeant la tension et également varier la concentration de la solution à électrofilée. 5 Les nanofibres de montrer résistive IV comportement et sont donc prometteurs pour fonctionner en tant que composants actifs dansbiocapteurs à savoir l'approche rapporté est prometteuse pour développer dispositif de détection de biomarqueurs. 6,7
La polymérisation du premier monomère, le 2-méthoxystyrène, est complète à 100% dans les 40 min, soit 100% du monomère est converti en le polymère et le monomère de polymérisation est lente nécessitant secondes 2 jours à polymériser. C'est-à-monomère polymérise une plus rapide que le monomère 2. Il n'ya pas de monomère utilisé un, mais la fin des 2 jours, il ya peu de monomère utilisé, mais cela ne va pas contribuer à la polydispersité. Nous avons préparé des homopolymères de monomères du premier soit du poly (2-méthoxystyrène) et le PDI de ces polymères sont également autour de 1,2 et les copolymères à blocs rapportés ici est également 1,2. Au meilleur de notre connaissance, aucune étude n'a été réalisée qui se penche sur l'effet de PDI sur la dimension des fibres électrofilées mais il est normalement prévu que le faible PDI contribuer à une meilleure qualité des produits transformés pour des raisons de chain-chaîne enchevêtrements.
Nous avons utilisé SWCNTs raison de travaux antérieurs qui montre que poly2-méthoxystyrène est efficace pour enrouler autour du nanotube de carbone et de briser l'agglomération de la SWCNT. 8 Nous croyons que cela a à voir avec la taille spécifique des SWCNT. Enfin, le contenu SWCNT 1% dans les résultats de fibres en fibres qui sont suffisamment électroactif pour notre étude.
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Disclosures
Aucun conflit d'intérêt déclaré.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par la NSF DRH-0630456, un programme NSF CREST et NSF est DMR-0934142.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Sodium Metal | Sigma-Aldrich | 282065 | |
| Benzophenone | Sigma-Aldrich | 239852 | |
| 2-methoxystyrene | Sigma-Aldrich | 563064 | |
| Tetrahydrofuran | Sigma-Aldrich | 178810 | |
| Chlorobenzene | Sigma-Aldrich | 319996 | |
| Single walled CNTs | Sigma-Aldrich | 704113 | |
| Polystyrene | Sigma-Aldrich | 81416 | |
| Silicon Wafers | Silicon Quest Int’l | 720200 | |
| Zeiss FESEM | Carl Zeiss Inc. | Ultra 60 | |
| Probestation with Bausch & Lomb MicroZoom II High Performance Microscope | Bausch and Lomb | ||
| Leica Scanning Confocal System | Leica Microsystems | TCS SP2 | |
| Sub-femtoamp Remote Sourcemeter | Keithley Instruments | 6430 | |
| Autoranging Digital Multimeter | Keithley Instruments | 175A | |
| Syringe Pump | Chemyx Inc. | Fusion 200 | |
| Zeiss Optical Microscope | Carl Zeiss Inc. | Zeiss/Axiotech |
References
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