En protokoll for produksjon av Gliadin-cyanoakrylat Nanopartikler for hydrofile belegget

Abstract

Denne artikkelen viser en protokoll for fremstilling av proteinbaserte nanopartikler som endrer den hydrofobe overflaten til hydrofile ved en enkel sprøytebelegg. Disse nanopartikler produseres ved polymerisasjonsreaksjonen av alkyl cyanoakrylat på overflaten av kornprotein (gliadin) molekyler. Alkyl cyanoakrylat er en monomer som polymeriserer raskt ved RT når det påføres på overflaten av materialer. Dens Polymeriseringsreaksjonen initieres av spormengder av svakt basiske eller nukleofile arter på overflaten, inkludert fuktighet. Når polymerisert, de polymeriserte alkyl cyanoakrylater viser en sterk affinitet med objekt materialer fordi cyanatgruppene er ryggraden i poly (alkyl cyanoacrylate). Proteiner også fungere som pådriver for denne polymerisasjon fordi de inneholder amingrupper som kan initiere polymerisasjon av cyanoacrylate. Hvis aggregert protein som blir brukt som en initiator, blir proteinaggregat omgitt av den hydrofobepoly (alkyl cyanoakrylat) kjedene etter polymerisasjonsreaksjonen av alkyl cyanoakrylat. Ved å kontrollere den eksperimentelle tilstand, blir partikler i nanometer serien som produseres. De fremstilte nanopartikler lett adsorberes på overflaten av de fleste materialer som glass, metall, plast, tre, lær og tekstiler. Når overflaten av et materiale sprøytes med den produserte nanopartikkelsuspensjonen og skylt med vann, den micellære struktur av nanopartikler endrer sin konformasjon, og de hydrofile proteiner er eksponert for luft. Som et resultat endrer nanopartikkel-belagt overflate til hydrofil.

Protocol

1. Avfetting Commercial Gliadin

1. Mål 150 ml aceton med en målesylinder og hell i 250 ml erlenmeyerkolbe.
   1. Under omrøring med en rørestav på en magnetrører ved romtemperatur, tilsett 30 g kommersiell gliadin pulver. Lukke åpningen i kolben med aluminiumsfolie, og holder på røring O / N i hetten.
2. Filtratet oppløsningen med et filterpapir.
   1. Vask filtratet med frisk aceton (ca. 50 ml). La stå i 10 min for å tillate aceton til avløp.
   2. Overfør filtratet sammen med filterpapiret under en stor tallerken, slik som en cellekultur firkantet tallerken. Dekk hele fatet med et stort filter papir for å bremse fordampning av rest aceton.
   3. Tillat filtratet helt tørr i panseret O / N. Oppbevar avfettet gliadin i en lufttett beholder ved romtemperatur.

2. Utarbeidelse av renset Gliadin

1. Mål 150 ml water med en målesylinder og hell i 1000 ml Erlenmeyerkolbe.
   1. Mål 350 ml absolutt etanol med en rot sylinder og hell i den samme 1000 ml Erlenmeyerkolbe. Rør kraftig (800 - 1000 rpm) med en rørestav inntil ingen bobler blir generert fra blandingen oppløsningen.
2. Under omrøring, tilsett 20 g avfettet-kommersiell gliadin pulver. Legg gliadin i små mengder om gangen for å unngå dannelse av klumper som inneholder luft i midten. Hold på røring O / N.
3. Overfør hele løsningen til en 1000 ml rot sylinder. La stå i to dager. I løpet av denne tiden, vil urenheter utfelles på bunnen av sylinderen.
4. Overfør supernatanten til en rotasjonsfordamper med en pipette, og fjerne etanol fra supernatanten så mye som mulig. Ettersom prosentandelen av etanol blir redusert, vil gliadin vises i oppløsningen som tilslag.
5. Fryse løsningen inneholder gliadin aggregater ved å dyppe / rotere i metanol/ Tørris blanding og frysetørke ved -70 ° C under vakuum. Før frysetørking, sørg for at hele løsningen er frosset uten væske.
   MERK: Det frysetørkede gliadin vil danne en porøs, fast stoff.
6. Knus frysetørret gliadin med morter, og male med en kaffekvern for å få en fin effekt (<0,5 mm). Overfør produktet inn i en lufttett beholder og oppbevares ved romtemperatur.

3. Polymeriseringsreaksjon av ECA med Gliadin

1. Plasser en scintillasjonsampulle (volumet er rundt 20 ml) i en vektbalanse og tare. Legg 3,2 g destillert vann og 6,8 g absolutt etanol i scitillation ampullen.
2. Beveg scintillasjonskyvette med en magnetisk rører, sette en magnetisk rørestav (20 x 3 mm) inn i hetteglasset, og rør kraftig (800 - 1000 rpm) inntil intet luftboble blir generert fra den vandige etanol-blanding.
3. Legg 40 ul 4 N HCI i hetteglasset under omrøring. Tilsett 20 mg gliadin i glasset mens sti rring, og holder på å omrøring inntil gliadin pulveret er fullstendig oppløst i den vandige etanol-blanding.
4. Etter å sørge for at gliadin oppløsningen er klar for det blotte øyne, sakte legge 80 - 100 mL av ECA mens rørehastigheten er fortsatt 800 - 1000 rpm.
   1. Senk rørehastigheten til 500 opm, og fortsett omrøring i 1 time. Ettersom reaksjonen skrider frem, observere turbiditeten som indikerer at polymerisasjonsreaksjonen er i gang.
5. Når reaksjonen er avsluttet, overføres oppløsningen inn i sentrifugerør, og balansere vekten av rørene. Sentrifuger reaksjonsproduktet ved 10 000 xg i 20 min. I løpet av denne tiden, siden produktbunnfall og nanopartikler forblir i supernantant. Hovedkomponenten av siden produktet er PACA homo.
6. Etter sentrifugen, overfører den fremstilte nanopartikkelsuspensjonen (supernatant) med en pipette til en scintillasjonsampulle (eller en lufttett beholder), og lagre det ved RT.

title "> 4. Karakterisering av Produktet

1. Fremstille 10 g av 68 vekt% vandig etanol, ved blanding av 3,2 g vann og 6,8 g absolutt etanol i 20 ml scintillasjonsglass og omrør inntil ingen bobler blir generert fra blandingen oppløsningen.
   1. Legg 40 ul 4 N HCl til blandingen under omrøring. Tilsett 50 mL av nanopartikkelsuspensjonen til den klare etanoloppløsningen under omrøring.
2. Mål størrelsen på nanopartikkel med Dynamisk lysspredning (DLS) ved hjelp av prøveløsningen fremstilt ovenfor, og følg produsentens anvisninger.
   MERK: størrelsen av det endelige produkt må være mindre enn 200 nm. Hvis den er større enn 200 nm, vil produktet ikke være stabil over en lengre periode. Større nanopartikler er produsert når ansatt ECA er ikke frisk.

5. Undersøkelse av Produktet

1. Forbered en glassplate som et håndspeil. Vask overflaten av glassplaten med såpevann. Rinse overflaten av glassplaten med rennende vann. Tørk den rengjorte overflate, eller bruk uten tørking for det neste trinn.
2. Spray nanopartikkelsuspensjonen oppnådd i 3.6) på en del av glassplaten, og skyll av overflaten med rennende vann.
3. Spray rent vann på overflaten av glassplaten. Observer belagt (sprayet med nanopartikkel suspensjon) overflate hold vannlaget mens den ikke-belagte overflaten er klar.

Representative Results

Nanopartiklene kan fremstilles på forskjellige reaksjonsbetingelser. Gliadin former aggregere i bredt spekter av etanolinnhold ^5. Imidlertid er størrelsen på aggregatene må være så liten som mulig fordi et ekstra lag (f.eks., Polymerisert ECA) legges til denne aggregat, og denne prosess vil gjøre den endelige størrelse større. Dersom den endelige størrelsen på partikkelen er for stor, vil partikkelen være ustabile og vil lett bli utfelt. Derfor, ble 68% vandig etanol valgt som et reaksjonsmedium ^4. Størrelsen av det produserte nanopartikkel er av størrelsesorden noen få hundre nanometer. Arbeidsmekanismen for det hydrofile belegget med det fremstilte nanopartikkel er som følger.

For belegning av materialer, er dette nanopartikkelsuspensjonen (suspendert i 68% etanol) sprøytes på overflaten av målmaterialet, etterfulgt av skylling med vann. Når nan oparticles suspendert i vandig ethanol sprøytes på overflaten av målmaterialet, vandig etanol sprer seg lett til et bredere område fordi overflatespenningen av etanol er meget lav. Denne spredende virkning av vandig etanol gir de suspenderte nanopartikler på overflaten av målmaterialet raskt og jevnt. De leverte nanopartikler adsorberes på materialet på grunn av den sterke affinitet av PECA kjettinger på overflaten av nanopartikler. Etterfølgende tilsetning av vann endrer konformasjonen til nanopartikler. Med andre ord, åpner nanopartikkel dens struktur for å eksponere det indre hydrofile proteiner til luft. Som et resultat av dette konformasjonsendring, overflaten av det belagte materialet slår seg hydrofil ^8. For å forstå denne konformasjonsendring av nanopartikler, er denne situasjonen etterlignet ved å sette de nanopartikler i ulike etanolløsninger og overvåking av zeta-potensialet.

1 "src =" / files / ftp_upload / 54147 / 54147fig1.jpg "/>
Figur 1. Zeta Potential og Diameter av de produserte nanopartikler i ulike A queous etanolløsninger. Dette diagrammet viser at hvert nanopartikkel endrer sin konformasjon og dens overflate blir hydrofil som etanolinnhold på suspensjonsmedium minker. Dette er arbeids mekanisme av den hydrofile belegg med nanopartikler. Feilfelt representerer standard feil av gjennomsnittet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 1 viser at de nanopartikkel fremstilt i 68% vandig etanol nedbrytes til mindre partikler som det omgivende suspensjonsmedium inneholder mindre etanol, fra 68% til 50%. I denne etanolinnhold rekkevidde, feilfelt av zeta-potensialet er store, noe som betyr at fordeling av overflateladning er ganske bredt, og partiklene er ikke godt stabilisert. Ettersom innholdet av vann øker, den absolutte verdi av zeta-potensialet øker hurtig inntil etanolinnhold reduseres til 30%. Dette betyr at overflaten av hver nanopartikler er sterkt ladet og hydrofiliteten av partikkeloverflaten er betydelig økt. Etter det, betyr zeta-potensialet ikke endres mye fordi nanopartikler danner aggregater. Denne aggregatdannelse skjer ikke når nanopartikkelsuspensjonen anvendes for hydrofilt belegg fordi partiklene adsorberes på overflaten av materialer. Kort sagt er fremgangsmåten for det hydrofile belegget omfatter sprøyting av nanopartikkelsuspensjonen, adsorpsjon av nanopartikler på overflaten av målmaterialet, og eksponering av indre proteinmolekyler til luft. I virkeligheten tar hele beleggprosessen i løpet av mindre enn et minutt.

laste opp / 54147 / 54147fig2.jpg "/>
Figur 2. SEM-bilde av Adsorbed nanopartikler. SEM viser fordelingen av nanopartikler på overflaten av en glassplate. På grunn av de jevnt fordelt nanopartikler, den transmisjon av synlig lys er ikke signifikant påvirket. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Som et resultat av belegg med nanopartikler blir partikler adsorbert på overflaten av målmaterialet. Figur 2 viser nanopartikler adsorbert på overflaten av en glassplate. Dette bildet ble tatt med en felt Emission-elektronmikroskop (SEM). Dette SEM bilde viser at alle partikkelstørrelser ser mindre enn 100 nm. Ettersom prøven ble frese belagt før SEM avbildning, men bør det være en viss krymping av partikkelstørrelse i løpet avdenne prosessen. Denne SEM-bilde viser at nanopartikler er godt dispergert på overflaten av en glassplate, og det er nok mellomrom mellom partiklene for lys å passere igjennom. Denne romlige fordeling av partikler og den lille størrelsen av partikler (f.eks., Mindre størrelse enn bølgelengden til synlig lys) forklare hvorfor gjennomsiktigheten av glassplaten ikke mye påvirket av belegget.

	før belegg	etter belegg
Glass	25,5 ± 1,5 °	8,9 ± 0,8 °
isopor	52,7 ± 1,2 °	6,8 ± 0,8 °

Tabell 1: Kontaktvinkel Underlag Før og etter belegg med nanopartikler.

Tabell 1 viser de eksperimentelle data målt ved hjelp av en dynamisk kontaktvinkel (DCA) instrument. I denne test ble det Wilhelmy platemetoden som brukes for å bestemme effekten av nanopartikkelbelegg på overflaten fukting ^9. For måling av kontaktvinkelen ble prøver fremstilt ved å dyppe platene er laget av det materiale som skal testes inn i nanopartikkelsuspensjonen og skylling med en strøm av destillert vann i noen få sekunder. Den fremstilte plate ble etter hverandre ned i og fjernes fra destillert vann. Kurver som gjelder fasespenningen til neddykningsdybden ble plottet og anvendt for å beregne viker kontaktvinkelen ^10. I tabellen er det vist at overflatespenningen i to eksempler, glass og plast (polystyren), avbryterbetydelig etter belegget.

Figur 3. Demonstrasjon av hydrofile belegget (1). Høyre halvdel av overflaten av polykarbonatplast ble belagt med nanopartikler, mens venstre halvdel var ubelagt. Når hele overflaten ble stenket med en vannsprøyte, belagt overflate ikke danner vanndråper. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Belegget virkning kan lett visualiseres ved å sammenligne den fuktende virkning før og etter belegningen. Figur 3 viser det hydrofile belegget virkning på overflaten av en plast, polykarbonat. Mens den høyre halvdel av toppflaten ble belagt, den venstre halvdel var intakt. Sprinkling på surface av disse flatene viser tydelig belegget virkning. Den høyre halvdelen danner en meget tynn film av vann, mens den venstre halvdel danner vanndråper som viser at vann ikke fukte overflaten.

Figur 4. Demonstrasjon av hydrofile belegget (2). Førersete vinduet i en bil ble belagt med nanopartikler mens bakre passasjer vinduet var ubestrøket. Når begge vinduene ble dynket med vann sprøyta, belagt overflate ikke danner vanndråper. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

For ytterligere demonstrasjon, ble den fremstilte nanopartikkel sprayet på overflaten av auto glass (figur 4). Førersetet vinduet ble belagt mednanopartikler, mens de bakre passasjer vinduet ikke var belagt. Når vann ble sprayet på begge av glassvinduer, det sprutende vann dannet et tynt vannsjikt på det belagte glasset mens vanndråper er dannet på det ubelagte glass. Bildet viser tydelig at det belagte glass gir mye bedre sikt enn ubestrøket en.

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.