Abstract
Dieser Artikel stellt ein Protokoll für die Herstellung von Protein-basierten Nanopartikel, die die hydrophobe Oberfläche hydrophil durch eine einfache Spritzbelages ändert. Diese Nanopartikel werden durch die Polymerisationsreaktion von Alkylcyanoacrylat auf der Oberfläche der Getreideprotein (Gliadin) Moleküle hergestellt. Alkylcyanoacrylatzusammensetzung ist ein Monomer, das sofort bei RT polymerisiert, wenn es auf die Oberfläche von Materialien aufgebracht wird. Seine Polymerisationsreaktion wird durch die Spurenmengen von schwach basischen oder nukleophilen Spezies auf der Oberfläche, einschließlich der Feuchtigkeit initiiert. Einmal polymerisiert, zeigen die polymerisierten Alkylcyanoacrylaten eine starke Affinität zu den Objektmaterialien, weil Nitrilgruppen im Rückgrat aus Poly (Alkylcyanoacrylat) sind. Proteine arbeiten auch als Initiator für diese Polymerisation, weil sie Amingruppen enthalten, die die Polymerisation von Cyanoacrylat initiieren kann. Wenn aggregiertem Protein als ein Initiator verwendet wird, Proteinaggregat wird durch die hydrophoben umgebenPoly (alkyl Cyanacrylat) Ketten nach der Polymerisationsreaktion von Alkylcyanoacrylat. Durch die Versuchsbedingungen zu steuern, Partikel im Nanometerbereich erzeugt werden. Die hergestellten Nanopartikel adsorbieren leicht an der Oberfläche der meisten Materialien einschließlich Glas, Metallen, Kunststoffen, Holz, Leder und Textilien. Wenn die Oberfläche eines Materials mit der hergestellten Nanopartikel-Suspension und wäscht mit Wasser besprüht wird, werden die micellare Struktur der Nanoteilchen ändert seine Konformation und die hydrophilen Proteine der Luft ausgesetzt. Als Ergebnis ändert sich die Nanopartikel-beschichteten Oberfläche hydrophil.
Protocol
1. Entfettung Gewerbe Gliadin
- Messen Sie 150 ml Aceton mit einem Messzylinder abgemessen und in 250 ml-Erlenmeyerkolben.
- Während mit einem Spin-Bar auf einem Magnetrührer Rühren bei RT 30 g handelsübliches Gliadin Pulver hinzufügen. Verschließen Sie die Öffnung der Flasche mit Aluminiumfolie und halten auf O / N in der Haube gerührt wurde.
- Filtrieren der Lösung mit einem Filterpapier.
- Das Filtrat wird mit frischem Aceton (ca. 50 ml). Lassen Sie stehen für 10 Minuten das Aceton ablaufen zu lassen.
- Das Filtrat zusammen mit dem Filterpapier unter einer großen Schale wie beispielsweise eine Zellkultur quadratische Schale. Decken Sie die ganze Schüssel mit einem großen Filterpapier zu verlangsamen das Verdampfen von Rest Aceton nach unten.
- Lassen Sie das Filtrat vollständig in die Haube O / N zu trocknen. Bewahren Sie die entfettet Gliadin in einem luftdichten Behälter bei RT.
2. Herstellung von gereinigtem Gliadin
- Messen Sie 150 ml water mit einem Messzylinder abgemessen und in 1.000 ml Erlenmeyerkolben.
- Messen Sie 350 ml absolutem Ethanol mit einem Durcheinander Zylinder und strömen in die gleiche 1.000 ml Erlenmeyerkolben. Rühre kräftig (800 - 1000 rpm) mit einem Rührstab, bis keine Luftblase aus dem Lösungsgemisch erzeugt wird.
- Unter Rühren werden 20 g entfettetes kommerziellen Gliadin Pulver. Hinzufügen Gliadin in kleinen Mengen zu einer Zeit, um die Bildung von Klumpen zu vermeiden, dass Luft in der Mitte enthält. Halten Sie sich auf dem Rühren O / N.
- Übertragen Sie die gesamte Lösung auf einen 1000 ml Chaos Zylinder. Lassen Sie zwei Tage lang stehen. Während dieser Zeit Verunreinigungen werden am Boden des Zylinders ausgefällt werden.
- Den Überstand in einen Rotationsverdampfer mit einer Pipette, und Entfernen von Ethanol aus dem Überstand, so viel wie möglich. Da der Anteil von Ethanol reduziert wird, wird Gliadin in der Lösung als Aggregat erscheinen.
- Frieren Sie die Lösung, die Gliadin-Aggregate durch Tauchen / Drehen in Methanol/ Trockeneis-Mischung und gefrier trocken bei -70 ° C im Vakuum. Vor dem Gefriertrocknen, stellen Sie sicher, dass die gesamte Lösung ohne Flüssigkeit gefroren ist.
HINWEIS: Das gefriergetrocknete Gliadin einen porösen Feststoff zu bilden. - Crush das gefriergetrocknete Gliadin mit Mörser und Stößel, und schleifen mit einer Kaffeemühle eine feine Leistung (<0,5 mm) zu erhalten. Das Produkt in einem luftdichten Behälter und Speicher bei RT.
3. Polymerisation Reaktion von ECA mit Gliadin
- Legen Sie ein Szintillationsphiole (Volumen etwa 20 ml) in einer Waage und tarieren. In 3,2 g destilliertes Wasser und 6,8 g absolutem Ethanol in der scitillation Fläschchen.
- Bewegen Sie den Szintillationsfläschchen auf einem Magnetrührer, legte einen magnetischen Spin bar (20 x 3 mm) in das Fläschchen und kräftig rühren (800 - 1000 Umdrehungen pro Minute), bis keine Luftblase aus der wäßrigen Ethanol-Gemisch erzeugt wird.
- Werden 40 ul 4 N HCl in das Fläschchen unter Rühren. In 20 mg Gliadin in das Fläschchen während sti Rring, und halten Sie auf dem Rühren bis Gliadin Pulver vollständig in der wässrigen Ethanol-Gemisch gelöst ist.
- Nachdem die Gliadin-Lösung ist klar auf die bloßen Augen sicher, fügen Sie langsam 80-100 ul ECA während Rührgeschwindigkeit noch 800 - 1000 Umdrehungen pro Minute.
- Senken Sie die Rührgeschwindigkeit auf 500 Umdrehungen pro Minute, und weiterhin für 1 Stunde gerührt wurde. Da die Reaktion fortschreitet, beobachten Trübung, die die Polymerisationsreaktion zeigt an, dass im Gange ist.
- Wenn die Reaktion beendet ist, wird die Lösung in Zentrifugenröhrchen und das Gewicht der Rohre auszugleichen. Zentrifugieren Sie das Reaktionsprodukt bei 10.000 × g für 20 min. Während dieser Zeit bleiben Nebenprodukt fällt aus und Nanopartikel in der überstehende. Die Hauptkomponente von Nebenprodukt ist PACA-Homopolymer.
- Nach der Zentrifuge, übertragen die erzeugte Nanopartikel-Suspension (Überstand) mit einer Pipette in ein Szintillationsphiole (oder einem luftdichten Behälter), und speichern Sie es bei RT.
- Bereiten Sie 10 g von 68 Gew% igen wässrigen Ethanol durch Mischen von 3,2 g Wasser und 6,8 g absolutem Ethanol in 20 ml Szintillationsphiole und rühren, bis keine Luftblase aus dem Lösungsgemisch erzeugt wird.
- Werden 40 ul 4 N HCl-Lösung zu der Mischung unter Rühren. Zugabe von 50 & mgr; l Nanopartikel-Suspension auf die vorbereitete Ethanollösung unter Rühren.
- Messen Sie die Größe der Nanopartikel mit Dynamic Light Scattering (DLS) von der Probenlösung unter Verwendung von oben und folgen Sie den Anweisungen des Herstellers.
HINWEIS: Die Größe des Endprodukts hat kleiner als 200 nm sein. Wenn sie größer als 200 nm ist, der das Produkt nicht über einen längeren Zeitraum stabil sein. Größere Nanopartikel werden erzeugt, wenn die verwendete ECA nicht frisch ist.
5. Prüfung des Produkts
- Bereiten Sie eine Glasplatte wie einen Handspiegel. Waschen Sie die Oberfläche der Glasplatte mit Seifenwasser. Rinse der Oberfläche der Glasplatte mit fließendem Wasser. Trocknen der gereinigten Oberfläche oder verwenden, ohne für den nächsten Schritt zu trocknen.
- Sprühen Sie die Nanopartikel-Suspension in 3.6) auf einem Teil der Glasplatte erhalten, und spülen Sie sofort die Oberfläche mit Wasser abfließt.
- Spray reines Wasser auf der Oberfläche der Glasplatte. Achten Sie auf die beschichtete (versprüht mit Nanopartikel-Suspension) Oberfläche halten Wasserschicht, während die unbeschichteten Oberfläche ist klar.
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Representative Results
Nanopartikel können in verschiedenen Reaktionsbedingungen hergestellt werden. Gliadin bildet aggregieren in breite Palette von Ethanolgehalt 5. Allerdings muss die Größe der Aggregate so klein wie möglich sein , weil eine zusätzliche Schicht (dh., Polymerisiertes ECA) wird zu diesem Aggregat zugesetzt werden , und dieser Prozess wird die Endgröße größer. Wenn die endgültige Größe der Teilchen zu groß ist, wird das Teilchen instabil und wird leicht ausgefällt werden. Daher wurde 68% wässrigem Ethanol als Reaktionsmedium 4 gewählt. Die Größe der erzeugten Nanopartikel in der Größenordnung von einigen hundert Nanometern. Der Wirkungsmechanismus für die hydrophile Beschichtung mit dem erzeugten Nanopartikel ist wie folgt.
Für die Beschichtung von Materialien, diese Nanopartikel-Suspension (in 68% Ethanol suspendiert) wird auf der Oberfläche des Zielmaterials durch Abspülen mit Wasser, gefolgt besprüht. Wenn die nan oparticles in wäßrigem Ethanol suspendiert wird auf der Oberfläche des Zielmaterials gesprüht, wässrigem Ethanol lässt sich leicht verteilen zu einem breiteren Bereich, weil die Oberflächenspannung von Ethanol sehr gering ist. Diese Spreizwirkung wässrigem Ethanol liefert die suspendierten Nanopartikel auf der Oberfläche des Zielmaterials schnell und gleichmäßig. Die gelieferte Nanopartikel adsorbieren auf das Material wegen der starken Affinität von PECA-Ketten auf der Oberfläche von Nanopartikeln. Die anschließende Zugabe von Wasser ändert sich die Konformation von Nanopartikeln. Mit anderen Worten öffnet das Nanoteilchen seine Struktur die inneren hydrophilen Proteine an die Luft zu exponieren. Als Ergebnis dieser Konformationsänderung, die Oberfläche des beschichteten Materials dreht hydrophilen 8. Um diese Konformationsänderung von Nanopartikeln zu verstehen, wird diese Situation nachgeahmt, indem die Nanopartikel in verschiedenen Ethanollösungen setzen und das Zeta-Potential zu überwachen.
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Abbildung 1. Zeta Potential und dem Durchmesser der hergestellten Nanopartikel in Various A queous Ethanollösungen. Dieser Graph zeigt , dass jedes Nanopartikels ändert seine Konformation und seine Oberfläche hydrophil als der Ethanolgehalt des Suspensionsmediums abnimmt. Dies ist der Wirkmechanismus der hydrophilen Beschichtung mit Nanopartikeln. Die Fehlerbalken stellen die Standardfehler des Mittelwerts. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 1 zeigt , dass die Nanopartikel in 68% wässrigem Ethanol hergestellt wird , in kleinere Partikel zerfallen als die umgebende Suspensionsmedium weniger Ethanol enthält, von 68% auf 50%. In diesem Bereich Ethanolgehalt, Fehlerbalken des Zeta-Potentials sind groß, was bedeutet, dass die Verteilung der Oberflächenladung ist sehr breit und Partikel nicht gut stabilisiert werden. Da der Gehalt an Wasser zunimmt, nimmt der absolute Wert des Zetapotentials schnell an, bis der Ethanolgehalt auf 30% abnimmt. Dies bedeutet, dass die Oberfläche jedes Nanopartikel stark aufgeladen ist und die Hydrophilie der Partikeloberfläche deutlich erhöht. Danach geht das Zeta-Potential nicht viel ändern, da Nanopartikel Aggregate bilden. Diese Aggregatbildung geschieht nicht, wenn die Nanopartikel-Suspension für die hydrophile Beschichtung verwendet wird, weil die Partikel auf der Oberfläche der Materialien adsorbiert werden. Kurz gesagt, beinhaltet das Verfahren zur hydrophilen Beschichtung der Nanopartikel-Suspension, die Adsorption von Nanopartikeln auf der Oberfläche des Targetmaterials, und Exposition der inneren Proteinmoleküle an die Luft gesprüht wird. In Wirklichkeit erfolgt die gesamte Beschichtungsvorgang in weniger als einer Minute.
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Abbildung 2. REM - Aufnahme Adsorbed Nanopartikeln. SEM zeigt die Verteilung der Nanopartikel auf der Oberfläche einer Glasplatte. Aufgrund der gleichmäßig verteilten Nanopartikeln wird die Durchlässigkeit für sichtbares Licht nicht signifikant beeinflusst. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Als Ergebnis der Beschichtung mit Nanopartikel werden Teilchen auf der Oberfläche des Targetmaterials adsorbiert. Abbildung 2 zeigt die Nanopartikel auf der Oberfläche einer Glasplatte adsorbiert. Dieses Bild wurde mit einem Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (SEM) aufgenommen. Diese REM-Aufnahme zeigt, daß alle Teilchengrößen aussehen kleiner als 100 nm. Da die Probe vor der Sputter-SEM-Bildgebung beschichtet wurde, sollte jedoch eine gewisse Schrumpfung der Teilchengrße währenddieser Prozess. Das SEM-Bild zeigt, dass Nanopartikel sind gut auf der Oberfläche einer Glasplatte verteilt und es gibt genügend Räume zwischen den Teilchen für das Licht durchlassen. Diese räumliche Verteilung der Teilchen und die geringe Größe der Teilchen (dh., Kleinere Größe als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts) erklären , warum die Transparenz der Glasplatte nicht viel von der Beschichtung beeinträchtigt wird.
| Vor der Beschichtung | Nach der Beschichtung | |
| Glas | 25,5 ± 1,5 ° | 8,9 ± 0,8 ° |
| Polystyrol | 52,7 ± 1,2 ° | 6,8 ± 0,8 ° |
Tabelle 1: Kontaktwinkel von Substraten Vorher-Nachher mit Nanopartikeln beschichtet werden .
Tabelle 1 zeigt die experimentellen Daten durch einen dynamischen Kontaktwinkel gemessen (DCA) -Instrument. In diesem Test wurde das Wilhelmy - Plattenverfahren verwendet , um die Wirkung der Nanopartikel - Beschichtung auf Oberflächenbenetzbarkeit 9 zu bestimmen. Zur Messung des Kontaktwinkels wurden Proben hergestellt, indem Platten aus dem Material Eintauchen in die Nanopartikel-Suspension getestet und mit einem Strom von destilliertem Wasser für einige Sekunden Spülen. Die hergestellte Platte wurde nacheinander eingetaucht in und aus destilliertem Wasser entfernt. Die Kurven der Grenzflächenspannung auf die Eintauchtiefe im Zusammenhang wurden aufgetragen und verwendet , um den abnehmenden Kontaktwinkel 10 zu berechnen. In der Tabelle ist gezeigt, dass die Oberflächenspannung von zwei Beispielen, Glas und einem Kunststoff (Polystyrol), sinktdeutlich nach der Beschichtung.
Abbildung 3. Demonstration der hydrophilen Beschichtung (1). Rechte Hälfte der Oberfläche des Polycarbonat - Kunststoff wurde mit Nanopartikeln beschichtet, während linke Hälfte unbeschichtet war. Wenn die gesamte Oberfläche mit einem Wassersprüher, beschichtete Oberfläche gestreut wurde nicht Wassertropfen bilden. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Der Beschichtungseffekt kann leicht durch Vergleichen der Benetzungswirkung vor und nach der Beschichtung sichtbar gemacht werden. Figur 3 zeigt die hydrophile Beschichtungseffekt auf der Oberfläche aus einem Kunststoff, Polykarbonat. Während die rechte Hälfte der oberen Oberfläche überzogen wurde, war die linke Hälfte intakt. Streuen auf die sberfl dieser Flächen zeigt deutlich die Beschichtungswirkung. Die rechte Hälfte bildet einen sehr dünnen Wasserfilm, während die linke Hälfte Wassertröpfchen bildet, dass das Wasser, welche die Oberfläche nicht benetzt.
Abbildung 4. Der Nachweis der hydrophilen Beschichtung (2). Fahrersitz Fenster eines Automobils wurde mit Nanopartikeln beschichtet , während hintere Beifahrerfenster unbeschichtetem war. Wenn beide Fenster mit einem Wassersprüher, beschichtete Oberfläche bestreut wurden nicht Wassertropfen bilden. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Für weitere Demonstration wurde die erzeugte Nanopartikel auf der Oberfläche von Autoglas (Abbildung 4) gesprüht. Der Fahrersitz Fenster wurde beschichtet mitNanopartikel, während der hintere Beifahrerfenster wurde nicht beschichtet. Wenn Wasser auf beiden Seiten der Glasscheiben gesprüht wurde, bildete das aufgesprühte Wasser, um eine dünne Wasserschicht auf dem beschichteten Glas während Wassertröpfchen auf der unbeschichteten Glas gebildet sind. Dieses Foto zeigt deutlich, dass das beschichtete Glas viel bessere Sicht als unbeschichtete man bietet.
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Acknowledgments
Vielen Dank an Herrn Jason Adkins für technische Unterstützung durch Experten.
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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