Abstract
Dit artikel een protocol voor de bereiding van op eiwit gebaseerde nanopartikels die het hydrofobe oppervlak hydrofiel verandert met gewone sproeibekleding. Deze nanodeeltjes worden gevormd door de polymerisatiereactie van alkyl cyanoacrylaat op het oppervlak van graaneiwit (gliadine) moleculen. Alkyl cyanoacrylaat is een monomeer dat onmiddellijk polymeriseert bij kamertemperatuur wanneer het wordt aangebracht op het oppervlak van materialen. De polymerisatiereactie wordt geïnitieerd door de sporen van basische of zwak nucleofiele species op het oppervlak, zoals vocht. Eenmaal gepolymeriseerd, de gepolymeriseerde alkyl cyanoacrylaten vertonen een sterke affiniteit met het doel materialen omdat nitrilgroepen in de hoofdketen van poly (alkyl cyanoacrylaat). Eiwitten ook werken als initiator voor polymerisatie omdat dit aminegroepen die de polymerisatie kan initiëren van cyanoacrylaat bevatten. Indien geaggregeerd eiwit wordt gebruikt als een initiator, wordt proteïneaggregaat omringd door hydrofobepoly (alkyl cyanoacrylaat) ketens na de polymerisatiereactie van alkyl cyanoacrylaat. Door het beheersen van de experimentele conditie worden deeltjes in de nanometer range geproduceerd. De geproduceerde nanodeeltjes gemakkelijk adsorberen op het oppervlak van de meeste materialen zoals glas, metaal, plastic, hout, leer en textiel. Wanneer het oppervlak van een materiaal in aanraking komt met de geproduceerde nanodeeltjes suspensie en gespoeld met water, de micellaire structuur van nanodeeltjes conformatie verandert, en de hydrofiele eiwitten blootgesteld aan de lucht. Hierdoor de nanodeeltjes gecoate oppervlak hydrofiel verandert.
Protocol
1. Ontvetten Commercial Gliadin
- Meet 150 ml van aceton met een maatcilinder en giet het in 250 ml erlenmeyer.
- Onder roeren met een rotatie bar op een magnetische roerder bij kamertemperatuur, voeg 30 g commerciële gliadine poeder. Sluit de opening van de kolf in aluminiumfolie, en blijf roeren O / N op de motorkap.
- Filtreren de oplossing met een papieren filter.
- Was het filtraat met verse aceton (ca. 50 ml). Laat gedurende 10 minuten staan om de aceton te voeren.
- Breng het filtraat met het filtreerpapier onder een grote schaal, zoals een celkweek vierkante schotel. Het gehele schaal met een grote filtreerpapier te vertragen verdamping resterend aceton.
- Laat het filtraat volledig opdrogen in de kap O / N. Bewaar de ontvette gliadine in een luchtdichte container bij kamertemperatuur.
2. Bereiding van gezuiverde Gliadin
- Meet 150 ml water met een maatcilinder en giet het in 1000 ml erlenmeyer.
- Meet 350 ml absolute ethanol met een puinhoop cilinder en giet het in hetzelfde 1000 ml erlenmeyer. Roer krachtig (800 - 1000 rpm) met een rotatie bar tot geen bel wordt gegenereerd uit de oplossing mengsel.
- Voeg al roerend 20 g ontvet commercieel gliadine poeder. gliadine in kleine hoeveelheden tegelijk toevoegen om klontvorming dat lucht in het midden bevat vermijden. Blijf roeren O / N.
- Breng de gehele oplossing voor een 1000 ml puinhoop cilinder. Laat staan voor twee dagen. Gedurende deze tijd zullen verontreinigingen worden neergeslagen op de bodem van de cilinder.
- Breng de bovenstaande een rotatieverdamper met een pipet, en verwijder de ethanol uit het supernatant zoveel mogelijk. Als het percentage ethanol wordt verlaagd, wordt weergegeven gliadine in de oplossing als aggregaat.
- Bevries de oplossing bevattende gliadine aggregaten door onderdompeling / draaien in methanol/ Droogijs mengsel en vriesdrogen bij -70 ° C onder vacuüm. Voordat vriesdrogen, zorg ervoor dat de gehele oplossing wordt ingevroren zonder vloeistof.
OPMERKING: De gevriesdroogde gliadine zal een poreuze vaste stof te vormen. - Plet de gevriesdroogde gliadine met een mortier en een stamper, en maal met een koffiemolen tot een boete vermogen (<0,5 mm) te verkrijgen. Overbrengen in een luchtdichte container en bewaar bij kamertemperatuur.
3. polymerisatiereactie van ECA met Gliadin
- Plaats een scintillatieflesje (volume ongeveer 20 ml) in een weegschaal en tarra. Voeg 3,2 g gedestilleerd water en 6,8 g absolute ethanol in de scitillation flacon.
- Verplaats de scintillatieflesje op een magnetische roerder, liep magnetische spin bar (20 x 3 mm) in de flacon en krachtig roeren (800 - 1000 rpm) totdat er geen luchtbel wordt gegenereerd uit het waterige ethanol mengsel.
- Voeg 40 gl 4 N HCl in de flacon onder roeren. Voeg 20 mg van gliadine in de flacon, terwijl sti Rring en blijf roeren tot gliadine poeder volledig is opgelost in de waterige ethanol mengsel.
- Na ervoor te zorgen dat de gliadine oplossing helder is voor het blote oog, voeg langzaam 80-100 ul van ECA terwijl roeren snelheid is nog steeds 800 - 1000 rpm.
- Verlaag de roersnelheid tot 500 opm en verder roeren gedurende 1 uur. Naarmate de reactie verloopt, nemen troebelheid wat aangeeft dat de polymerisatiereactie wordt uitgevoerd.
- Wanneer de reactie wordt beëindigd en spoel de in centrifugebuizen, en de balans het gewicht van de buizen. Centrifugeer het reactieproduct bij 10.000 xg gedurende 20 min. Gedurende deze tijd bijproduct precipitaten en nanodeeltjes blijven de supernantant. De belangrijkste component van bijproduct is PACA homopolymeer.
- Na de centrifuge, de overdracht van de geproduceerde nanodeeltjes suspensie (supernatant) met een pipet om een scintillatieflesje (of een luchtdichte verpakking), en het op kamertemperatuur.
- Bereid 10 g 68 gew% waterige ethanol door mengen 3,2 g water en 6,8 g absolute ethanol in 20 ml scintillatieflesje en roer tot geen bel wordt gegenereerd uit de oplossing mengsel.
- Voeg 40 gl 4 N HCl oplossing mengsel onder roeren. Voeg 50 ul van nanodeeltjes suspensie tot de bereide ethanoloplossing onder roeren.
- Meten van de grootte van nanodeeltjes met Dynamic Light Scattering (DLS) met de monsteroplossing hierboven bereide en de instructies van de fabrikant.
OPMERKING: De grootte van het eindproduct kleiner dan 200 nm. Als het groter is dan 200 nm, zal het produkt niet stabiel zijn gedurende langere tijd. Grotere nanodeeltjes worden geproduceerd wanneer de arbeidskorting ECA is niet vers.
5. Onderzoek van het Product
- Bereid een glazen plaat, zoals een handspiegel. Was het oppervlak van de glazen plaat met water en zeep. Rinse het oppervlak van de glazen plaat met stromend water. Droog het gereinigde oppervlak of zonder drogen de volgende stap.
- Spuit de nanodeeltjes suspensie verkregen 3,6) op een deel van de glasplaat en afspoelen van het oppervlak met direct stromend water.
- Spray zuiver water op het oppervlak van de glazen plaat. Let op de gecoate (besproeid met nanodeeltjes schorsing) hold oppervlaktewater laag, terwijl de niet-gecoate oppervlak is duidelijk.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Nanodeeltjes kunnen worden bereid in verschillende reactieomstandigheden. Gliadine vormen aggregeren in brede waaier van ethanol inhoud 5. De omvang van aggregaten moet zo klein mogelijk zijn omdat een extra laag (bijv., Gepolymeriseerde ECA) worden toegevoegd bij het aggregaat en dit proces zal de uiteindelijke grootte groter te maken. Indien de uiteindelijke grootte van de deeltjes te groot is, zal het deeltje onstabiel en wordt gemakkelijk neergeslagen. Daarom werd 68% waterige ethanol gekozen als reactiemedium 4. De grootte van de geproduceerde nanodeeltjes in de orde van enkele honderden nanometers. Het werkingsmechanisme van de hydrofiele bekleding met de geproduceerde nanodeeltjes is als volgt.
Voor de bekleding van materialen, wordt deze nanodeeltjes suspensie (gesuspendeerd in 68% ethanol) gespoten op het oppervlak van doelmateriaal gevolgd door spoelen met water. Wanneer de nan oparticles gesuspendeerd in waterige ethanol wordt gespoten op het oppervlak van doelmateriaal, waterige ethanol gemakkelijk uitbreidt naar een breder gebied vanwege de oppervlaktespanning van ethanol is zeer laag. Deze spreiding optreden waterige ethanol levert de zwevende nanodeeltjes op het oppervlak van het trefplaatmateriaal snel en gelijkmatig. De geleverde nanodeeltjes adsorberen op het materiaal vanwege de sterke affiniteit van PECA ketens op het oppervlak van nanodeeltjes. Daaropvolgende toevoeging van water verandert de conformatie van nanodeeltjes. Met andere woorden, het nanodeeltje opent zijn structuur de binnenste hydrofiele proteïnen bloot aan de lucht. Als gevolg van deze conformationele verandering, het oppervlak van het gecoate materiaal wordt hydrofiel 8. Deze conformatieverandering van nanodeeltjes begrijpen, wordt deze situatie nagebootst door invoering van de nanodeeltjes in verschillende ethanoloplossingen en bewaken van de zeta potentiaal.
1 "src =" / files / ftp_upload / 54147 / 54147fig1.jpg "/>
Figuur 1. Zeta Potentieel en diameter van de geproduceerde nanodeeltjes in Diverse A queous ethanoloplossingen. Deze grafiek toont dat elk nanodeeltje verandert de conformatie en zijn oppervlak hydrofiel als ethanolgehalte suspensiemedium afneemt. Dit is het werkingsmechanisme van de hydrofiele bekleding met nanodeeltjes. Fout balken geven standaardafwijking van het gemiddelde. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 1 toont dat de nanodeeltjes bereid in 68% waterige ethanol is uiteengevallen in kleinere deeltjes het omringende suspensiemedium bevat minder ethanol van 68% tot 50%. In deze ethanolgehalte bereik foutbalken zeta potentiaal zijn groot, zodat de verdeling van oppervlaktelading is vrij breed en deeltjes niet goed gestabiliseerd. Als het watergehalte toeneemt, de absolute waarde van de zeta potentiaal snel toe tot het ethanolgehalte afneemt tot 30%. Dit betekent dat het oppervlak van elk nanodeeltje sterk geladen en de hydrofiliciteit van deeltjesoppervlak aanzienlijk verhoogd. Daarna gaat de zeta potentiaal niet veel veranderen omdat nanodeeltjes aggregaten. Dit aggregaatvorming gebeurt niet wanneer de nanodeeltjes suspensie wordt gebruikt voor hydrofiele bekleding omdat de deeltjes geadsorbeerd op het oppervlak van materialen. Kortom, de werkwijze voor de hydrofiele coating omvat het sproeien van de nanodeeltjes suspensie adsorptie van nanodeeltjes op het oppervlak van het doelmateriaal, en het vertonen van innerlijke eiwitmoleculen aan de lucht. In werkelijkheid zal de gehele bekledingsproces plaats in minder dan een minuut.
uploaden / 54147 / 54147fig2.jpg "/>
Figuur 2. SEM Image geadsorbeerd nanodeeltjes. SEM toont de verdeling van nanodeeltjes op het oppervlak van een glasplaat. Vanwege de gelijkmatig verdeeld nanodeeltjes, de transmissie van zichtbaar licht is niet significant beïnvloed. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Door de bekleding met nanodeeltjes worden deeltjes geadsorbeerd op het oppervlak van het trefplaatmateriaal. Figuur 2 toont de nanodeeltjes geadsorbeerd op het oppervlak van een glasplaat. Dit beeld werd genomen met een veld emissie-Scanning Electron Microscope (SEM). Dit beeld SEM blijkt dat de deeltjesgrootte kijken kleiner dan 100 nm. Aangezien het monster sputteren bekleed vóór SEM beeldvorming, maar er moet krimpen van de deeltjesgrootte tijdensdit proces. Deze afbeelding toont SEM nanodeeltjes goed gedispergeerd op het oppervlak van een glasplaat en er voldoende ruimte tussen de deeltjes licht door. Deze ruimtelijke verdeling van deeltjes en de kleine grootte van de deeltjes (bijv., Kleiner dan de golflengte van zichtbaar licht) waarom de transparantie van de glasplaat wordt weinig beïnvloed door de bekleding.
| vóór coating | na coating | |
| Glas | 25,5 ± 1,5 ° | 8,9 ± 0,8 ° |
| Polystyreen | 52,7 ± 1,2 ° | 6,8 ± 0,8 ° |
Tabel 1: Contact Hoek van Substrates Voor & Na het coaten met nanodeeltjes.
Tabel 1 toont de experimentele gegevens gemeten met een dynamische contacthoek (DCA) instrument. In deze test werd de Wilhelmy-plaatmethode gebruikt om het effect van nanodeeltjes coating op het oppervlak bevochtigbaarheid 9 bepalen. Voor het meten van de contacthoek werden monsters bereid door dompelen bladen van te onderzoeken materiaal in de nanodeeltjes suspensie en spoelen met een stroom gedestilleerd water gedurende enkele seconden. De bereide plaat werd achtereenvolgens ondergedompeld in en uit gedestilleerd water. Curven van de grensvlakspanning de dompeldiepte werden uitgezet en gebruikt om de terugwijkende contacthoek 10 berekenen. In de tabel wordt aangetoond dat de oppervlaktespanning van twee voorbeelden, glas en plastic (polystyreen), druppelsaanzienlijk na de coating.
Figuur 3. Demonstratie van hydrofiele coating (1). Rechterhelft van het oppervlak van polycarbonaat kunststof bekleed met nanodeeltjes, terwijl linkerhelft was onbekleed. Wanneer het gehele oppervlak werd besprenkeld met een water sproeier, gecoate oppervlak vormden geen waterdruppels. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De coating effect kan gemakkelijk worden gevisualiseerd door het vergelijken van de bevochtiging effect voor en na de bekleding. Figuur 3 toont het effect hydrofiele coating op het oppervlak van een plastic, polycarbonaat. Terwijl de rechterhelft van het bovenoppervlak is bekleed, de linkerhelft was intact. Beregening op de sppervlakte van deze oppervlakken toont duidelijk de coating effect. De rechter helft vormt een zeer dunne film van water, terwijl de linker helft vormt waterdruppels waaruit blijkt dat er geen water het oppervlak nat.
Figuur 4. Demonstratie van hydrofiele coating (2). Bestuurdersstoel raam van een auto werd bekleed met nanodeeltjes terwijl achterruit inzittende was ongestreken. Wanneer beide ramen waren besprenkeld met een water sproeier, gecoate oppervlak vormden geen waterdruppels. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Voor aanvullende demonstratie werd de geproduceerde nanodeeltjes gespoten op het oppervlak van auto glas (figuur 4). zitplaats raam van de bestuurder werd bekleed metnanodeeltjes, terwijl de achterruit passagier was niet bedekt. Wanneer water werd gespoten op beide van de ramen, de gesproeide water vormde een dunne waterlaag op het gecoat glas, terwijl waterdruppels worden gevormd op de ongecoate glas. Deze foto toont duidelijk aan dat de gecoat glas biedt een veel beter zicht dan ongecoate één.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Met dank aan de heer Jason Adkins voor deskundige technische bijstand.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Ethyl cyanoacrylate (ECA) monomer | K&R International (Laguna Niguel, CA) | I-1605 | Any pure ECA can be used. |
| Gliadin | MGP Ingredients, Inc (Atchison, KS) | Gift from the company | Gliadin can be purchased from Sigma-Aldrich (cat #: G3375-25G). Instead of gliadin, any commercial gluten can be used. |
| HCl | Any | Any reagent grade chemical can be used. | |
| Acetone | Any | Any reagent grade chemical can be used. | |
| Methanol | Any | Any reagent grade chemical can be used. | |
| Ethanol (100%) | Any | Any reagent grade chemical can be used. | |
| Filter paper | Any | Any grade filter paper larger than 10 cm can be used. | |
| Cell culture square dish | Any | Any dish larger than 20 x 20 cm can be used. | |
| Coffee grinder | Any | Any coffee grinder can be used. | |
| Rotary evaporator | Any | Any rotary evaporator can be used. | |
| Freeze Dryer | Any | Any freeze dryer that can reach -70 °C can be used. | |
| Centrifuge | Any | Any centrifuge that can apply 1,000 x g can be used. | |
| Magnetic stirrer | Any | Any magnetic stirrer that can turn spin bar to 1,000 rpm can be used. | |
| Dynamic Light Scattering (DLS) | Brookhaven Instruments Corporation | NanoBrook Omni Zeta Potential Analyzer | DLS from any company can be used. |
| Scanning Electron Microscope (SEM) | Carl Zeiss Inc. | Any SEM can be used. | |
| Dynamic Contact Angle (DCA) | Thermo Cahn Instruments | Any DCA can be used. |
References
- Vauthier, C., Dubernet, C., Fattal, E., Pinto-Alphandary, H., Couvreur, P. Poly(alkylcyanoacrylates) as biodegradable materials for biomedical applications. Adv. Drug Deliver. Rev. 55, 519-548 (2003).
- Wieser, H. Chemistry of gluten proteins. Food Microbiol. 24, 115-119 (2007).
- Bietz, J. A., Wall, J. S. Identity of high molecular weight gliadin and ethanol soluble glutenin subunits of wheat: Relation to gluten structure. Cereal Chem. 57, 415-421 (1980).
- Kim, S. Production of composites by using gliadin as a bonding material. J. Cereal Sci. 54, 168-172 (2011).
- Kim, S., Kim, Y. Production of gliadin-poly(ethyl cyanoacrylate) nanoparticles for hydrophilic coating. J. Nanopart. Res. 16, 1-10 (2014).
- Behan, N., Birkinshaw, C., Clarke, N. Poly n-butyl cyanoacrylate nanoparticles: a mechanistic study of polymerisation and particle formation. Biomaterials. 22, 1335-1344 (2001).
- Nicolas, J., Couvreur, P. Synthesis of poly(alkyl cyanoacrylate)-based colloidal nanomedicines. Wiley Interdiscip. Rev. Nanomed. Nanobiotechnol. 1, 111-127 (2009).
- Kim, S., Evans, K., Biswas, A. Production of BSA-poly(ethyl cyanoacrylate) nanoparticles as a coating material that improves wetting property. Colloid Surface. B. 107, 68-75 (2013).
- Lander, L. M., Siewierski, L. M., Brittain, W. J., Vogler, E. A. A systematic comparison of contact angle methods. Langmuir. 9, 2237-2239 (1993).
- Davies, J., Nunnerley, C. S., Brisley, A. C., Edwards, J. C., Finlayson, S. D. Use of Dynamic Contact Angle Profile Analysis in Studying the Kinetics of Protein Removal from Steel Glass, Polytetrafluoroethylene, Polypropylene, Ethylenepropylene Rubber, and Silicone Surfaces. J. Colloid Interf. Sci. 182, 437-443 (1996).
- Giolando, D. M. Nano-crystals of titanium dioxide in aluminum oxide: A transparent self-cleaning coating applicable to solar energy. Sol. Energy. 97, 195-199 (2013).
