Abstract
Este artículo presenta un protocolo para la producción de nanopartículas a base de proteínas que cambia la superficie hidrófoba a hidrófila mediante un simple revestimiento por pulverización. Estas nanopartículas son producidas por la reacción de polimerización de cianoacrilato de alquilo en la superficie de moléculas (gliadina) de proteínas de cereales. Alquil cianoacrilato es un monómero que se polimeriza al instante a TA cuando se aplica a la superficie de los materiales. Su reacción de polimerización se inicia por las trazas de especies débilmente básicos o nucleófilos en la superficie, incluyendo la humedad. Una vez polimerizado, los cianoacrilatos de alquilo polimerizados muestran una fuerte afinidad con los materiales objeto porque grupos nitrilo se encuentran en la cadena principal de poli (cianoacrilato de alquilo). Las proteínas también funcionan como iniciador para esta polimerización, ya que contienen grupos amina que pueden iniciar la polimerización de cianoacrilato. Si la proteína agregada se utiliza como un iniciador, agregado proteico está rodeado por el hidrófobopoli (cianoacrilato de alquilo) cadenas después de la reacción de polimerización de cianoacrilato de alquilo. Mediante el control de la condición experimental, se producen partículas en el rango nanométrico. Las nanopartículas producidas adsorben fácilmente a la superficie de la mayoría de materiales incluyendo vidrio, metales, plásticos, madera, cuero, y telas. Cuando la superficie de un material se pulveriza con la suspensión de nanopartículas producida y se enjuagó con agua, la estructura micelar de nanopartículas cambia su conformación, y las proteínas hidrófilas están expuestos al aire. Como resultado, la superficie recubierta con nanopartículas cambia a hidrófilo.
Protocol
1. Desengrasante gliadina Comercial
- Medir 150 ml de acetona con un cilindro graduado y se vierte en 250 ml matraz Erlenmeyer.
- Mientras se agita con una barra magnética en un agitador magnético a temperatura ambiente, añadir 30 g de polvo de gliadina comercial. Sellar la abertura del matraz con papel de aluminio, y mantener en agitación O / N en la campana.
- Filtrado de la solución con un papel de filtro.
- Se lava el filtrado con acetona fresca (ca. 50 ml). Dejar reposar durante 10 minutos para permitir que la acetona se drene.
- Transferir el filtrado junto con el papel de filtro por debajo de un plato grande tal como un plato cuadrado de cultivo celular. Cubrir todo el plato con un papel de filtro grande para frenar la evaporación de la acetona residual.
- Permitir el filtrado se seque por completo en la campana O / N. Almacenar la gliadina desgrasada en un recipiente hermético a temperatura ambiente.
2. Preparación de la gliadina purificada
- Medir 150 ml de water con un cilindro graduado y se vierte en 1.000 ml matraz Erlenmeyer.
- Medir 350 ml de etanol absoluto con un cilindro de desastre y se vierte en el mismo 1.000 ml Erlenmeyer. Agitar vigorosamente (800 - 1.000 rpm) con una barra magnética hasta que se genera ninguna burbuja de la mezcla de solución.
- Mientras se agita, añadir 20 g de polvo de gliadina desgrasada comercial. Añadir gliadina en pequeñas cantidades a la vez para evitar la formación de grumos que contiene aire en el medio. Mantener en agitación O / N.
- Transferir toda la solución a un cilindro lío 1000 ml. Dejar reposar durante dos días. Durante este tiempo, las impurezas se precipitan en la parte inferior del cilindro.
- Transferir el sobrenadante a un evaporador rotatorio con una pipeta, y eliminar el etanol a partir del sobrenadante tanto como sea posible. Como se reduce el porcentaje de etanol, gliadina aparecerá en la solución como agregado.
- Congelar la solución que contiene agregados de gliadina por inmersión / rotación en metanol/ Mezcla de hielo seco y se seca por congelación a -70 ° C bajo vacío. Antes de la liofilización, asegúrese de que toda la solución se congela sin ningún tipo de líquido.
NOTA: La gliadina liofilizado se forma un sólido poroso. - Aplastar a la gliadina liofilizado con mortero y mortero, y se muelen con un molinillo de café para obtener una fina potencia (<0,5 mm). Transferir el producto en un recipiente hermético y se almacena a temperatura ambiente.
3. Polimerización Reacción de la CEPA con gliadina
- Colocar un vial de centelleo (volumen es de alrededor de 20 ml) en un equilibrio, y la tara de pesaje. Añadir 3,2 g de agua destilada y 6,8 g de etanol absoluto en el vial scitillation.
- Mueva el vial de centelleo en un agitador magnético, se puso una barra de giro magnético (20 x 3 mm) en el vial y agitar vigorosamente (800 - 1000 rpm) hasta que ninguna burbuja de aire se genera a partir de la mezcla acuosa de etanol.
- Añadir 40 l de HCl 4 N en el vial mientras se agita. Se añaden 20 mg de gliadina en el vial mientras STI Rring, y seguir revolviendo hasta que el polvo se haya disuelto completamente gliadina en la mezcla acuosa de etanol.
- Después de asegurarse que la solución gliadina es claro para los ojos desnudos, añada lentamente 80 - 100 l de la CEPA, mientras que la velocidad de agitación sigue siendo de 800 - 1.000 rpm.
- Bajar la velocidad de agitación a 500 rpm, y continuar agitando durante 1 hora. A medida que avanza la reacción, observar la turbidez lo que indica que la reacción de polimerización está en curso.
- Cuando se termina la reacción, transferir la solución en tubos de centrífuga, y equilibrar el peso de los tubos. Centrifugar el producto de reacción a 10.000 xg durante 20 min. Durante este tiempo, precipitados y nanopartículas de productos secundarios permanecen en el sobrenadante. El componente principal de producto secundario es homopolímero de PACA.
- Después de la centrífuga, la transferencia de la suspensión de nanopartículas producida (sobrenadante) con una pipeta a un vial de centelleo (o cualquier recipiente hermético), y almacenarla a temperatura ambiente.
- Preparar 10 g de etanol acuoso al 68% en peso mezclando 3,2 g de agua y 6,8 g de etanol absoluto en 20 ml vial de centelleo y se agita hasta que se genera ninguna burbuja de la mezcla de solución.
- Añadir 40 l de HCl 4 N a la mezcla de solución mientras se agita. Añadir 50 l de suspensión de nanopartículas a la solución de etanol preparada mientras se agita.
- Medir el tamaño de nanopartícula con Dynamic Light Scattering (DLS) mediante el uso de la solución de muestra preparada anteriormente y seguir las instrucciones del fabricante.
NOTA: El tamaño del producto final tiene que ser menor que 200 nm. Si es mayor que 200 nm, el producto no será estable durante un período prolongado de tiempo. nanopartículas más grandes se producen cuando el empleado CEPA no es fresco.
5. El examen del producto
- Preparar una placa de vidrio tal como un espejo de mano. Lavar la superficie de la placa de cristal con agua de jabón. Rinse la superficie de la placa de vidrio con un chorro de agua. Se seca la superficie limpiada o uso sin secado para el siguiente paso.
- Rociar la suspensión de nanopartículas obtenido en 3.6) en una parte de la placa de vidrio, y enjuagar la superficie con agua corriente inmediata.
- Rociar agua pura en la superficie de la placa de vidrio. Observar la capa de agua asimiento superficie recubierta (pulverizó con la suspensión de nanopartículas), mientras que la superficie no protegida es clara.
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Representative Results
Las nanopartículas se pueden preparar en diversas condiciones de reacción. Formas de gliadina se agregan en una amplia gama de contenido de etanol 5. Sin embargo, el tamaño de los agregados debe ser lo más pequeño posible, ya que una capa adicional (es decir., La CEPA polimerizado) se añadirá a este agregado y este proceso hará que el tamaño final más grande. Si el tamaño final de partícula es demasiado grande, la partícula será inestable y fácilmente ser precipitado. Por lo tanto, etanol acuoso 68% fue elegido como un medio de reacción 4. El tamaño de la nanopartícula producida es del orden de unos pocos cientos de nanómetros. El mecanismo de trabajo para el recubrimiento hidrófilo con la nanopartícula producida es como sigue.
Para el revestimiento de materiales, esta suspensión de nanopartículas (en suspensión en 68% de etanol) se pulveriza sobre la superficie del material de blanco seguido de un enjuague con agua. Cuando el Nan oparticles en suspensión en etanol acuoso se pulveriza sobre la superficie del material objetivo, etanol acuoso se propaga fácilmente a un área más amplia debido a la tensión superficial del etanol es muy baja. Esta acción difusión de etanol acuoso proporciona las nanopartículas suspendidas en la superficie del material objetivo de forma rápida y uniformemente. Las nanopartículas entregados se adsorben sobre el material debido a la fuerte afinidad de las cadenas de PECA en la superficie de las nanopartículas. La posterior adición de agua cambia la conformación de las nanopartículas. En otras palabras, la nanopartícula abre su estructura para exponer las proteínas hidrófilas internas al aire. Como resultado de este cambio conformacional, la superficie del material revestido se vuelve hidrófila 8. Para comprender este cambio conformacional de las nanopartículas, esta situación es imitado por poner las nanopartículas en varias soluciones de etanol y el seguimiento de la potencial zeta.
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Figura 1. Potencial Zeta y el diámetro de las nanopartículas producidas en varios un queous etanol Solutions. Este gráfico muestra que cada nanopartícula cambia su conformación y su superficie se vuelve hidrófilo como el contenido de etanol de medio de suspensión disminuye. Este es el mecanismo de trabajo del revestimiento hidrófilo con nanopartículas. Las barras de error representan el error estándar de la media. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 1 muestra que la nanopartícula preparada en etanol acuoso al 68% se desintegra en partículas más pequeñas como el medio de suspensión circundante contiene menos de etanol, de 68% a 50%. En este rango de contenido de etanol, las barras de error de potencial zeta son grandes, lo que significa que la distribución de la carga superficial es bastante amplio y las partículas no están bien estabilizado. A medida que el contenido de agua aumenta, el valor absoluto del potencial zeta aumenta rápidamente hasta que el contenido de etanol disminuye hasta 30%. Esto significa que la superficie de cada nanopartícula es altamente cargada y la hidrofilicidad de superficie de la partícula se incrementa significativamente. Después de eso, el potencial zeta no cambia mucho, porque las nanopartículas forman agregados. Esta formación de agregados no sucede cuando se utiliza la suspensión de nanopartículas para el recubrimiento hidrófilo debido a que las partículas se adsorben en la superficie de los materiales. En resumen, el proceso para el revestimiento hidrófilo implica pulverizar la suspensión de nanopartículas, la adsorción de las nanopartículas en la superficie del material diana, y la exposición de moléculas de proteína interior para el aire. En realidad, todo el proceso de recubrimiento se lleva a cabo en menos de un minuto.
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Figura 2. SEM Imagen de adsorbida nanopartículas. SEM muestra la distribución de las nanopartículas en la superficie de una placa de vidrio. Debido a las nanopartículas uniformemente distribuidas, la transmitancia de la luz visible no se ve afectada de manera significativa. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Como resultado del recubrimiento con nanopartículas, las partículas se adsorben en la superficie del material objetivo. La figura 2 muestra las nanopartículas adsorbidos sobre la superficie de una placa de vidrio. Esta imagen fue tomada con una emisión de campo-microscopio electrónico de barrido (SEM). Esta imagen SEM muestra que todos los tamaños de partícula se vean más pequeños de 100 nm. Dado que la muestra fue recubierta por bombardeo iónico antes de la imagen SEM, sin embargo, no debe haber una cierta contracción del tamaño de partícula duranteeste proceso. Esta imagen SEM muestra que las nanopartículas se dispersan bien en la superficie de una placa de vidrio y hay suficientes espacios entre las partículas de la luz pase a través. Esta distribución espacial de las partículas y el pequeño tamaño de las partículas (es decir., El tamaño más pequeño que la longitud de onda de la luz visible) explican por qué la transparencia de la placa de vidrio no se ve muy afectado por el recubrimiento.
| antes de recubrimiento | después del recubrimiento | |
| Vaso | 25,5 ± 1,5 ° | 8.9 ± 0.8 ° |
| Poliestireno | 52,7 ± 1,2 ° | 6,8 ± 0,8 ° |
Tabla 1: Ángulo de contacto de los sustratos antes y después del recubrimiento con nanopartículas.
La Tabla 1 muestra los datos experimentales medidos por un ángulo de contacto dinámico (DCA) instrumento. En esta prueba, se utilizó el método de placa Wilhelmy para determinar el efecto de recubrimiento de nanopartículas en humectabilidad de la superficie 9. Para la medición de ángulo de contacto, las muestras se prepararon por inmersión de placas hechas del material a ensayar en la suspensión de nanopartículas y el aclarado con un chorro de agua destilada durante unos segundos. La placa preparada se sumerge de forma consecutiva y eliminarse del agua destilada. Curvas la tensión interfacial de la profundidad de inmersión se representaron gráficamente y se utilizan para calcular el ángulo de contacto de retroceso 10. En la tabla, se muestra que la tensión superficial de dos ejemplos, vidrio y un plástico (poliestireno), gotassignificativamente después del recubrimiento.
Figura 3. Demostración de recubrimiento hidrofílico (1). La mitad derecha de la superficie de plástico de policarbonato se revistió con nanopartículas, mientras que la mitad izquierda fue sin recubrir. Cuando toda la superficie fue rociado con un pulverizador de agua, superficie recubierta no formar gotitas de agua. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
El efecto de recubrimiento puede ser fácilmente visualizada por la comparación del efecto de humectación antes y después del recubrimiento. La figura 3 muestra el efecto de recubrimiento hidrófilo en la superficie de un plástico, policarbonato. Mientras que la mitad derecha de la superficie superior se revistió, la mitad izquierda estaba intacto. Espolvorear sobre los surface de estas superficies demuestra claramente el efecto de recubrimiento. Las formas correctas medio de una película muy fina de agua, mientras que la mitad izquierda se forman gotas de agua que muestran que el agua no moja la superficie.
Figura 4. Demostración de recubrimiento hidrofílico (2). Ventana del asiento del conductor de un automóvil fue recubierto con nanopartículas, mientras que la ventana trasera del pasajero fue sin recubrimiento. Cuando ambas ventanas se rociaron con un pulverizador de agua, superficie recubierta no formar gotitas de agua. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Para la demostración adicional, la nanopartícula producida se pulverizó sobre la superficie de vidrio del auto (Figura 4). Ventana El asiento del conductor se revistió connanopartículas, mientras que la ventana trasera del pasajero no se recubrió. Cuando el agua se pulverizó sobre ambas de las ventanas de vidrio, el agua pulverizada forma una capa delgada de agua sobre el vidrio revestido, mientras que las gotas de agua se forman en el vidrio no revestido. Esta foto demuestra claramente que el vidrio revestido ofrece una visibilidad mucho mejor que uno sin recubrir.
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Acknowledgments
Gracias al Sr. Jason Adkins para la asistencia técnica de expertos.
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
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