Abstract
تقدم هذه المقالة بروتوكول لإنتاج الجسيمات النانوية البروتين على أساس أن يغير سطح مسعور لمحبة للماء عن طريق رذاذ الطلاء بسيط. وتنتج هذه الجسيمات النانوية عن طريق تفاعل البلمرة من cyanoacrylate ألكيل على سطح بروتين الحبوب (غليادين) الجزيئات. الكيل cyanoacrylate هو مونومر أن يبلمر على الفور في RT عندما يتم تطبيقه على السطح من المواد. يبدأ في رد فعل البلمرة من كميات ضئيلة من الأنواع ضعيف الأساسية أو أليفة النواة على السطح، بما في ذلك الرطوبة. مرة واحدة بلمرة، وتظهر cyanoacrylates ألكيل بلمرة صلة قوية مع المواد الكائن لأن الجماعات النتريل هي في العمود الفقري للبولي (ألكيل cyanoacrylate). تعمل البروتينات أيضا المبادر لهذا البلمرة لأنها تحتوي على مجموعة أمين يمكن أن الشروع في بلمرة cyanoacrylate. إذا تم استخدام البروتين تجميع باعتباره المبادر، وتحيط مجموع البروتين من قبل مسعوربولي (ألكيل cyanoacrylate) سلاسل بعد رد فعل البلمرة من cyanoacrylate ألكيل. من خلال السيطرة على حالة تجريبية، يتم إنتاج جسيمات في نطاق نانومتر. النانوية المنتجة كثف بسهولة على سطح معظم المواد بما في ذلك الزجاج والمعادن والبلاستيك والخشب والجلود، والأقمشة. عندما يتم رش سطح مادة مع تعليق جسيمات متناهية الصغر المنتجة وتشطف بالماء، وهيكل micellar من جسيمات متناهية الصغر يتغير التشكل، ويتعرض البروتينات ماء في الهواء. ونتيجة لذلك، يتغير سطح المغلفة جسيمات متناهية الصغر إلى محبة للماء.
Protocol
1. Defatting غليادين التجاري
- قياس 150 مل من الأسيتون مع الاسطوانة وتصب في 250 مل دورق مخروطي.
- مع التحريك مع شريط تدور على محرك مغناطيسي في RT، إضافة 30 غرام من مسحوق غليادين التجاري. ختم فتح قارورة مع رقائق الألومنيوم، والحفاظ على اثارة O / N في غطاء محرك السيارة.
- الترشيح الحل مع ورقة الترشيح.
- غسل الترشيح مع الأسيتون الطازجة (حوالي 50 مل). اسمحوا الوقوف لمدة 10 دقيقة للسماح للالأسيتون لاستنزاف.
- نقل الراشح جنبا إلى جنب مع ورقة الترشيح تحت لطبق كبير مثل صحن مربع ثقافة الخلية. تغطية الصحن كله مع ورقة مرشح كبيرة لإبطاء تبخر الأسيتون المتبقية.
- السماح الترشيح حتى يجف تماما في غطاء محرك السيارة O / N. تخزين غليادين منزوع الدهن في وعاء محكم الهواء في RT.
2. إعداد تنقية غليادين
- قياس 150 مل من واثالثا مع الاسطوانة وتصب في 1000 مل دورق مخروطي.
- قياس 350 مل من الايثانول المطلق مع اسطوانة الفوضى وتصب في نفس 1000 مل دورق مخروطي. يحرك بقوة (800 - 1000 دورة في الدقيقة) مع شريط تدور حتى يتم إنشاء أي فقاعة من خليط حل.
- مع التحريك، إضافة 20 غرام من مسحوق غليادين منزوع الدهن التجاري. إضافة غليادين بكميات صغيرة في وقت لتجنب تشكيل كتل التي تحتوي على الهواء في الوسط. الحفاظ على اثارة O / N.
- نقل الحل كله إلى 1000 مل الفوضى اسطوانة. اسمحوا الوقوف لمدة يومين. خلال هذا الوقت، سيتم عجلت الشوائب في قاع الاسطوانة.
- طاف لنقل المبخر الدوار مع ماصة، وإزالة الإيثانول من طاف قدر الإمكان. مع انخفاض نسبة الإيثانول، ستظهر غليادين في حل مثل مجموع المباراتين.
- تجميد محلول يحتوي على المجاميع غليادين عن طريق غمر / الدورية في الميثانول/ جاف خليط الجليد وتجميد الجافة في -70 درجة مئوية تحت فراغ. قبل التجميد والتجفيف، تأكد من يتم تجميد الحل بالكامل دون أي سائل.
ملاحظة: سوف غليادين تجميد المجفف تشكيل الصلبة التي يسهل اختراقها. - سحق غليادين تجميد المجفف مع هاون ومدقة، وطحن مع طاحونة القهوة للحصول على قوة الدقيقة (<0.5 مم). نقل المنتج في حاوية محكمة الغلق وتخزينها في RT.
رد الفعل 3. البلمرة اللجنة الاقتصادية لأفريقيا مع غليادين
- ضع قارورة التلألؤ (حجم حوالي 20 مل) في وزنها التوازن، والفارغة. إضافة 3.2 غرام من الماء المقطر و 6.8 غرام الايثانول المطلق في القارورة scitillation.
- نقل قارورة التلألؤ الدخول إلى محرك مغناطيسي، ووضع شريط تدور المغناطيسي (20 × 3 مم) في قارورة، ويحرك بقوة (800 - 1000 دورة في الدقيقة) حتى يتم إنشاء أي فقاعة الهواء من خليط الايثانول المائي.
- إضافة 40 ميكرولتر من 4 N حمض الهيدروكلوريك في قارورة مع التحريك. إضافة 20 ملغ من غليادين في قارورة في حين الأمراض المنقولة جنسيا rring، والحفاظ على التحريك حتى يذوب مسحوق غليادين بالكامل في خليط الايثانول المائي.
- بعد التأكد من حل غليادين واضح للعين المجردة، إضافة ببطء 80-100 ميكرولتر من اللجنة الاقتصادية لأفريقيا بينما سرعة التحريك لا يزال 800 - 1000 دورة في الدقيقة.
- خفض سرعة التحريك إلى 500 دورة في الدقيقة، ويستمر التحريك لمدة 1 ساعة. ومع استمرار رد الفعل، ومراقبة تعكر مما يدل على أن رد فعل البلمرة في التقدم.
- عندما يتم إنهاء رد فعل، نقل الحل في أنابيب الطرد المركزي، وتحقيق التوازن بين وزن الأنابيب. الطرد المركزي ناتج التفاعل في 10000 x ج لمدة 20 دقيقة. خلال هذا الوقت، لا تزال رواسب المنتجات الجانبية والجسيمات النانوية في supernantant. العنصر الرئيسي في الناتج الجانبي هو PACA المبلمر المتجانس.
- بعد الطرد المركزي، ونقل تعليق جسيمات متناهية الصغر المنتجة (طاف) مع ماصة إلى قارورة التلألؤ (أو أي حاوية محكمة الغلق)، وتخزينه في RT.
- إعداد 10 غرام من الإيثانول المائي 68٪ بالوزن عن طريق خلط الماء 3.2 غرام و 6.8 غرام الايثانول المطلق في 20 مل التلألؤ القارورة ويحرك حتى يتم إنشاء أي فقاعة من خليط حل.
- إضافة 40 ميكرولتر من 4 N حمض الهيدروكلوريك إلى الخليط مع التحريك الحل. إضافة 50 ميكرولتر من تعليق جسيمات متناهية الصغر في حل الإيثانول استعداد مع التحريك.
- قياس حجم جسيمات متناهية الصغر مع ديناميكية تشتت الضوء (DLS) باستخدام محلول العينة أعد أعلاه واتباع تعليمات الشركة الصانعة.
ملاحظة: حجم المنتج النهائي يجب أن يكون أصغر من 200 نانومتر. إذا كان أكبر من 200 نانومتر، والمنتج لا تكون مستقرة لفترة طويلة من الزمن. ويتم إنتاج الجسيمات النانوية أكبر عندما اللجنة الاقتصادية لأفريقيا العاملات ليست جديدة.
5. فحص المنتج
- إعداد لوحة من الزجاج مثل مرآة اليد. غسل سطح لوحة من الزجاج مع الماء والصابون. RINSE سطح لوحة من الزجاج مع تدفق المياه. تجف تنظيف السطح أو استخدام دون تجفيف للخطوة التالية.
- رش تعليق جسيمات متناهية الصغر التي تم الحصول عليها في 3.6) على جزء من لوحة من الزجاج، وشطف السطح مع المياه المتدفقة على الفور.
- رذاذ الماء النقي على سطح لوحة من الزجاج. مراقبة المغلفة (رش مع تعليق جسيمات متناهية الصغر) طبقة المياه السطحية عقد بينما السطح المصقول واضح.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
النانوية يمكن أن تكون مستعدة في ظروف التفاعل المختلفة. أشكال غليادين تتجمع في مجموعة واسعة من محتوى الإيثانول 5. ومع ذلك، فإن حجم الركام يحتاج إلى أن تكون صغيرة قدر الإمكان لأن طبقة إضافية (أي، بلمرة ECA) ستضاف إلى هذا الركام وهذه العملية تجعل الحجم النهائي أكبر. إذا كان الحجم النهائي من الجسيمات كبير جدا، فإن الجسيمات تكون غير مستقرة، وسوف يكون من السهل عجل. لذلك، تم اختيار 68٪ من الإيثانول المائي كوسيلة رد فعل 4. حجم جسيمات متناهية الصغر ينتج هو بناء على أمر من بضع مئات نانومتر. آلية العمل لطلاء ماء مع جسيمات متناهية الصغر المنتجة هي على النحو التالي.
لطلاء المواد، ويتم رش هذا تعليق جسيمات متناهية الصغر (مع وقف التنفيذ في 68٪ من الإيثانول) على سطح المواد المستهدفة تليها الشطف قبالة مع الماء. عندما نان oparticles علقت في الإيثانول المائي يرش على السطح من المواد المستهدفة، والإيثانول المائي ينتشر بسهولة إلى منطقة أوسع بسبب التوتر السطحي من الإيثانول منخفض جدا. هذا الإجراء انتشار الايثانول المائي يسلم النانوية علقت على سطح المواد المستهدفة بسرعة وبشكل متساو. النانوية تسليمها كثف على المواد بسبب تقارب قوي من سلاسل PECA على سطح الجسيمات النانوية. إضافة لاحقة من الماء يغير التشكل النانوية. وبعبارة أخرى، فإن جسيمات متناهية الصغر تفتح هيكلها لفضح البروتينات ماء الداخلية للهواء. ونتيجة لهذا التغيير متعلق بتكوين، والسطح من المواد المغلفة يتحول ماء 8. لفهم هذا التغيير متعلق بتكوين الجسيمات النانوية، وتحاكي هذه الحالة عن طريق وضع النانوية إلى حلول الايثانول المختلفة ورصد إمكانات زيتا.
1 "SRC =" / ملفات / ftp_upload / 54147 / 54147fig1.jpg "/>
الشكل 1. زيتا المحتملة وقطر من الجسيمات النانوية المنتجة في مختلف وqueous حلول الإيثانول. ويبين هذا الرسم البياني أن كل جسيمات متناهية الصغر تغير التشكل وسطحه ويصبح ماء كما محتوى الإيثانول المتوسطة تعليق النقصان. هذه هي آلية العمل للطلاء ماء مع النانوية. أشرطة الخطأ تمثل الخطأ المعياري للمتوسط. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
ويبين الشكل (1) أن جسيمات متناهية الصغر التي أعدت في الإيثانول المائي 68٪ وتفككت الى جزيئات أصغر كما يحتوي على المديين المتوسط تعليق المحيطة أقل الإيثانول، من 68٪ إلى 50٪. في هذا النطاق محتوى الإيثانول، أشرطة الخطأ من إمكانات زيتا كبيرة، وهذا يعني أن توزيع الشحنة السطحية واسع جدا والجزيئات لا يستقر بشكل جيد. كما يزداد محتوى الماء، والقيمة المطلقة من إمكانات زيتا يزيد بسرعة حتى يقلل من محتوى الإيثانول إلى 30٪. وهذا يعني أن سطح كل جسيمات متناهية الصغر وجهت للغاية ويتم زيادة hydrophilicity من سطح الجسيمات بشكل ملحوظ. بعد ذلك، وإمكانات زيتا لا يغير من ذلك بكثير لأن الجسيمات النانوية تشكل الحصى. لا يحدث هذا التشكيل الكلي عند استخدام تعليق جسيمات متناهية الصغر لطلاء ماء لأن كثف الجزيئات على سطح المواد. وباختصار، فإن عملية لطلاء ماء تتضمن رش تعليق جسيمات متناهية الصغر، امتصاص الجسيمات النانوية على سطح المواد المستهدفة، والتعرض للجزيئات البروتين الداخلية للهواء. في الواقع، تأخذ عملية الطلاء كلها مكان في أقل من دقيقة.
تحميل / 54147 / 54147fig2.jpg "/>
الشكل 2. ووزارة شؤون المرأة صورة كثف النانوية. SEM توضح توزيع الجسيمات النانوية على سطح لوحة من الزجاج. بسبب النانوية موزعة بالتساوي، ونفاذية الضوء المرئي لا يتأثر إلى حد كبير. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
ونتيجة لطلاء مع النانوية، وكثف الجزيئات على سطح المواد المستهدفة. ويبين الشكل 2 النانوية كثف على سطح لوحة من الزجاج. أخذت هذه الصورة مع حقل الانبعاثات-مجهر المسح الإلكتروني (SEM). وتظهر هذه الصورة ووزارة شؤون المرأة أن جميع أحجام الجسيمات تبدو أصغر من 100 نانومتر. منذ المغلفة العينة تفل قبل التصوير ووزارة شؤون المرأة، ومع ذلك، ينبغي أن يكون هناك بعض انكماش حجم الجسيمات خلال هذه العملية. وتظهر هذه الصورة ووزارة شؤون المرأة أن الجسيمات النانوية وتفرق جيدا على سطح لوحة من الزجاج، وهناك ما يكفي من الفراغات بين جزيئات للضوء بالمرور. هذا التوزيع المكاني للجزيئات وصغر حجم الجسيمات (أي، حجم أصغر من طول موجة الضوء المرئي) تفسر السبب في أن الشفافية من لوحة زجاج لا تتأثر كثيرا الطلاء.
| قبل طلاء | بعد طلاء | |
| زجاج | 25.5 ± 1.5 ° | 8.9 ± 0.8 ° |
| البوليسترين | 52.7 ± 1.2 ° | 6.8 ± 0.8 ° |
الجدول 1: الاتصال زاوية من ركائز قبل وبعد طلاء مع النانوية.
FO: المحافظة على together.within الصفحات = "1"> إن جسيمات متناهية الصغر تنتج تمتز على سطح من مواد مختلفة. مرة واحدة وهي مغلفة المواد المستهدفة مع النانوية، وزاوية الاتصال من السطح المطلي يسقط بشكل ملحوظ. ويبين الجدول 1 البيانات التجريبية تقاس زاوية الاتصال الحيوي (DCA) الصك. في هذا الاختبار، تم استخدام أسلوب لوحة Wilhelmy لتحديد تأثير الطلاء جسيمات متناهية الصغر على بلل سطح 9. لقياس زاوية الاتصال، تم عن طريق غمس لوحات مصنوعة من مادة لفحصها في تعليق جسيمات متناهية الصغر والشطف مع تيار من الماء المقطر لمدة بضع ثوان إعداد العينات. تم مغمورة لوحة مستعدة على التوالي في وإزالتها من الماء المقطر. تم رسم منحنيات المتعلقة التوتر السطحي إلى عمق الغمر واستخدامها لحساب زاوية الاتصال انحسار 10. في الجدول، فإنه يظهر أن التوتر السطحي للمثالين والزجاج والبلاستيك (البولي ستايرين)، قطراتبشكل ملحوظ بعد الطلاء.
والمغلفة الشكل 3. مظاهرة للاتحاد مع الماء طلاء (1). النصف الأيمن من سطح من البلاستيك البولي مع النانوية، في حين أن النصف الأيسر غير المصقول. عندما تم رشها على سطح كامل مع بخاخ الماء والسطح المطلي لم تشكل قطرات الماء. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
تأثير الطلاء يمكن بسهولة تصور بمقارنة تأثير التبول قبل وبعد طلاء الشكل 3 يدل على تأثير طلاء ماء على سطح من البلاستيك، والبولي. في حين أن النصف الأيمن من السطح العلوي والمغلفة، وكان النصف الأيسر سليمة. يرش على الصورةurface من هذه السطوح يظهر بوضوح تأثير الطلاء. أشكال النصف الأيمن طبقة رقيقة جدا من المياه، بينما يشكل النصف الأيسر قطرات الماء تبين أن المياه لا الرطب السطح.
والمغلفة الشكل 4. مظاهرة للاتحاد مع الماء طلاء (2). نافذة مقعد السائق في سيارة مع النانوية في حين كان نافذة الراكب الخلفي المصقول. عندما تم رشها كل من ويندوز مع بخاخ الماء والسطح المطلي لم تشكل قطرات الماء. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
لمظاهرة إضافية، تم رش جسيمات متناهية الصغر تنتج على سطح الزجاج لصناعة السيارات (الشكل 4). والمغلفة نافذة مقعد السائق معالنانوية، في حين لم يكن المغلفة نافذة الراكب الخلفي. عندما تم رش الماء على حد سواء من النوافذ الزجاجية، شكلت المياه رش طبقة المياه رقيقة على الزجاج المطلي في حين تتشكل قطرات الماء على الزجاج غير المصقول. يوضح هذه الصورة بوضوح أن الزجاج المطلي يوفر رؤية أفضل بكثير من واحد غير المصقول.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
وبفضل السيد جيسون آدكنز لتقديم المساعدة التقنية للخبراء.
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).
