Abstract
Questo articolo presenta un protocollo per la produzione di nanoparticelle a base di proteine che cambia la superficie idrofobica ad idrofilica da un semplice rivestimento a spruzzo. Queste nanoparticelle sono prodotte dalla reazione di polimerizzazione di alchil cianoacrilato sulla superficie della proteina cereali (gliadina) molecole. Alchil cianoacrilato è un monomero che polimerizza immediatamente a RT quando viene applicato alla superficie dei materiali. La reazione di polimerizzazione viene iniziata dalle tracce di specie debolmente base o nucleofili sulla superficie, comprese umidità. Una volta polimerizzato, i cianoacrilati alchil polimerizzati mostrano una forte affinità con i materiali degli oggetti, perché i gruppi di nitrile sono la spina dorsale di poli (cianoacrilato alchil). Proteine funzionano anche come iniziatore di polimerizzazione per questo perché contengono gruppi amminici che possono avviare la polimerizzazione di cianoacrilato. Se proteine aggregate viene usato come iniziatore, aggregata proteina è circondato dal idrofobicapoli (alchil cianoacrilato) catene dopo la reazione di polimerizzazione di alchil cianoacrilato. Controllando la condizione sperimentale, particelle nell'intervallo nanometri sono prodotti. Le nanoparticelle prodotte facilmente adsorbono alla superficie della maggior parte dei materiali tra cui vetro, metalli, plastica, legno, pelle e tessuti. Quando la superficie di un materiale è spruzzato con la sospensione nanoparticelle prodotte e risciacquata con acqua, la struttura micellare di nanoparticelle cambia la sua conformazione, e le proteine idrofile sono esposti all'aria. Come risultato, la superficie delle nanoparticelle rivestite cambia in idrofila.
Protocol
1. sgrassante commerciale gliadina
- Misurare 150 ml di acetone con un cilindro graduato e versare in 250 ml beuta.
- Mentre agitazione con una barra di rotazione su un agitatore magnetico a RT, aggiungere 30 g di polvere di gliadina commerciale. Sigillare l'apertura del pallone con un foglio di alluminio, e continuare a mescolare O / N nel cofano.
- Filtrare la soluzione con un filtro di carta.
- Lavare il filtrato con acetone fresco (circa 50 ml). Lasciate riposare per 10 minuti per consentire l'acetone per drenare.
- Trasferire il filtrato insieme con la carta da filtro sotto per un grande piatto, come un quadrato piatto di coltura cellulare. Coprire le stoviglie con una grande carta da filtro per rallentare l'evaporazione di acetone residuo.
- Lasciare che il filtrato si asciughi completamente nella cappa O / N. Conservare la gliadina sgrassata in un contenitore a tenuta d'aria a temperatura ambiente.
2. Preparazione di purificata gliadina
- Misurare 150 ml di WAter con un cilindro graduato e versare in 1.000 ml beuta.
- Misurare 350 ml di etanolo assoluto con un cilindro disordine e versare nella stessa 1.000 ml beuta. Mescolare energicamente (800 - 1000 rpm) con una barra di rotazione fino nessuna bolla è generata dalla miscela soluzione.
- Mentre mescolando, aggiungere 20 g di polvere di gliadina sgrassata commerciale. Aggiungere gliadina in piccole quantità alla volta per evitare la formazione di grumi che contiene aria nel mezzo. Continuate a mescolare O / N.
- Trasferire la soluzione ad un cilindro disordine 1.000 ml. Lasciar riposare per due giorni. Durante questo tempo, le impurità vengono precipitati sul fondo del cilindro.
- Trasferire il supernatante in un evaporatore rotante con una pipetta e rimuovere l'etanolo dal supernatante il più possibile. Come la percentuale di etanolo è ridotto, gliadina apparirà nella soluzione come aggregato.
- Congelare la soluzione contenente aggregati gliadina immergendo / rotazione in metanolo/ Miscela di ghiaccio secco e congelare-secco a -70 ° C sotto vuoto. Prima di liofilizzazione, assicurarsi che l'intera soluzione è congelato, senza alcun liquido.
NOTA: La gliadina liofilizzato formerà un solido poroso. - Crush the gliadina liofilizzato con mortaio e pestello, e macinare con un macinino da caffè per ottenere una multa di potenza (<0.5 mm). Trasferire il prodotto in un contenitore a tenuta d'aria e conservare a temperatura ambiente.
3. polimerizzazione Reazione di ECA con gliadina
- Mettere una fiala di scintillazione (volume è di circa 20 ml) in un peso di equilibrio, e tara. Aggiungere 3,2 g di acqua distillata e 6,8 g di etanolo assoluto nel flacone scitillation.
- Spostare la fiala di scintillazione su un agitatore magnetico, mettere una barra di rotazione magnetica (20 x 3 mm) nel flaconcino, e mescolare energicamente (800 - 1.000 giri al minuto) fino a quando non bolla d'aria è generato dalla miscela di etanolo acquoso.
- Aggiungere 40 ml di 4 N HCl nel flaconcino mescolando. Aggiungere 20 mg di gliadina nel flacone mentre sti Rring, e continuare a mescolare fino a quando la polvere gliadina è completamente sciolto nella miscela etanolo acquoso.
- Dopo essersi assicurati la soluzione gliadina è chiaro agli occhi nudi, aggiungere lentamente 80 - 100 ml di ECA mentre la velocità di agitazione è ancora 800 - 1.000 giri al minuto.
- Ridurre la velocità di agitazione a 500 rpm, e continua agitazione per 1 ora. Con il procedere della reazione, osservare torbidità che indica che la reazione di polimerizzazione è in corso.
- Quando la reazione è terminata, trasferire la soluzione in provette da centrifuga, e bilanciare il peso dei tubi. Centrifugare il prodotto di reazione a 10.000 xg per 20 min. Durante questo tempo, precipitati di prodotti collaterali e nanoparticelle rimangono nel surnatante. Il componente principale del prodotto lato è PACA omopolimero.
- Dopo la centrifuga, trasferire la sospensione nanoparticelle prodotte (surnatante) con una pipetta ad una fiala di scintillazione (o qualsiasi contenitore ermetico), e conservarlo a RT.
- Preparare 10 g di etanolo acquoso 68% in peso di acqua mescolando 3,2 g e 6,8 g di etanolo assoluto in 20 ml di scintillazione flacone e agitare fino nessuna bolla è generata dalla miscela soluzione.
- Aggiungere 40 ml di 4 N HCl alla miscela una soluzione sotto agitazione. Aggiungere 50 ml di sospensione di nanoparticelle alla soluzione di etanolo preparata mescolando.
- Misurare la dimensione delle nanoparticelle con Dynamic Light Scattering (DLS) utilizzando la soluzione di campione preparato sopra e seguire le istruzioni del produttore.
NOTA: La dimensione del prodotto finale deve essere inferiore a 200 nm. Se è maggiore di 200 nm, il prodotto non sarà stabile per un lungo periodo di tempo. nanoparticelle più grandi sono prodotte quando il lavoratore ECA non è fresco.
5. Esame del Prodotto
- Preparare una lastra di vetro come uno specchio a mano. Lavare la superficie della lastra di vetro con acqua e sapone. RInse la superficie della lastra di vetro con l'acqua che scorre. Essiccare la superficie pulita o utilizzare senza asciugare per il passaggio successivo.
- Spruzzare la sospensione nanoparticelle ottenuto in 3.6) su una parte della lastra di vetro, e risciacquare la superficie con scorre acqua immediatamente.
- Nebulizzare acqua pura sulla superficie della lastra di vetro. Osservare la (spruzzato con sospensioni di nanoparticelle) strato di acque di superficie rivestita attesa mentre la superficie patinata è chiara.
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Representative Results
Le nanoparticelle possono essere preparate in varie condizioni di reazione. Forme gliadina aggregano in un'ampia gamma di contenuto di etanolo 5. Tuttavia, la dimensione degli aggregati deve essere il più piccolo possibile, perché un ulteriore strato (es., Polimerizzato ECA) verrà aggiunto a questo aggregato e questo processo renderà la dimensione finale grande. Se la dimensione finale delle particelle è troppo grande, la particella sarà instabile e verrà facilmente precipitato. Pertanto, 68% etanolo acquoso è stato scelto come mezzo di reazione 4. La dimensione della nanoparticella prodotta è dell'ordine di alcune centinaia di nanometri. Il meccanismo di funzionamento per il rivestimento idrofilo con la nanoparticella prodotto è la seguente.
Per il rivestimento di materiali, questa sospensione nanoparticelle (sospesi in 68% etanolo) viene spruzzato sulla superficie del materiale del bersaglio seguito da risciacquo con acqua. Quando il nan oparticles sospesi in etanolo acquoso viene spruzzata sulla superficie del materiale del bersaglio, etanolo acquoso diffonde facilmente ad una zona più ampia perché la tensione superficiale di etanolo è molto basso. Questa azione diffusione di etanolo acquoso offre le nanoparticelle in sospensione sulla superficie del materiale bersaglio rapidamente e uniformemente. Le nanoparticelle consegnati adsorbono sul materiale a causa della forte affinità di catene PECA sulla superficie delle nanoparticelle. La successiva aggiunta di acqua cambia la conformazione delle nanoparticelle. In altre parole, le nanoparticelle apre la sua struttura per esporre le proteine idrofile interne all'aria. Come risultato di questo cambiamento conformazionale, la superficie del materiale rivestito diventa idrofila 8. Per capire questo cambiamento conformazionale di nanoparticelle, questa situazione viene imitato mettendo le nanoparticelle in varie soluzioni di etanolo e il monitoraggio del potenziale zeta.
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Figura 1. potenziale zeta e diametro delle nanoparticelle prodotte in varie A queous etanolo Solutions. Questo grafico mostra che ogni nanoparticella cambia la sua conformazione e la superficie diventa idrofila come il contenuto di etanolo mezzo di sospensione diminuisce. Questo è il meccanismo di funzionamento del rivestimento idrofilo con nanoparticelle. Barre di errore rappresentano l'errore standard della media. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
La Figura 1 mostra che le nanoparticelle preparata in etanolo acquoso 68% viene disintegrato in particelle più piccole come mezzo di sospensione circostante contiene meno etanolo, dal 68% al 50%. In questo intervallo di contenuto di etanolo, barre di errore di potenziale zeta sono grandi, il che significa che il distribuzione di carica superficiale è abbastanza ampio e le particelle non sono ben stabilizzati. Poiché il contenuto di acqua aumenta, il valore assoluto del potenziale zeta aumenta rapidamente finché il contenuto di etanolo scende al 30%. Ciò significa che la superficie di ogni nanoparticella è altamente caricata e l'idrofilia della superficie della particella è significativamente aumentata. Dopo di che, il potenziale zeta non cambia molto perché le nanoparticelle si formano aggregati. Questa formazione di aggregati non succede quando la sospensione nanoparticelle è utilizzato per rivestimento idrofilo perché le particelle sono adsorbiti sulla superficie dei materiali. In breve, il processo di rivestimento idrofilo coinvolge spruzzando la sospensione nanoparticelle, adsorbimento delle nanoparticelle sulla superficie del materiale del bersaglio, e l'esposizione di molecole proteiche interne all'aria. In realtà, l'intero processo di rivestimento avviene in meno di un minuto.
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Figura 2. Immagine SEM di Adsorbed nanoparticelle. SEM mostra la distribuzione delle nanoparticelle sulla superficie di una lastra di vetro. A causa delle nanoparticelle uniformemente distribuiti, la trasmittanza della luce visibile non è significativamente influenzata. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Come risultato del rivestimento con nanoparticelle, particelle vengono adsorbite sulla superficie del materiale bersaglio. La Figura 2 mostra le nanoparticelle adsorbiti sulla superficie di una lastra di vetro. Questa immagine è stata scattata con un Field Emission-microscopio elettronico a scansione (SEM). Questa immagine SEM mostra che tutte le dimensioni particellari aspetto minore di 100 nm. Poiché il campione è stato sputter rivestito prima di imaging SEM, tuttavia, ci dovrebbe essere qualche restringimento della dimensione delle particelle durantequesto processo. Questa immagine SEM mostra che le nanoparticelle sono ben disperse sulla superficie di una lastra di vetro e ci sono abbastanza spazi tra le particelle per il passaggio della luce. Questa distribuzione spaziale delle particelle e la piccola dimensione delle particelle (cioè., Dimensioni più piccole della lunghezza d'onda della luce visibile) spiegano perché la trasparenza della lastra di vetro è poco influenzata dal rivestimento.
| prima di rivestimento | Dopo il rivestimento | |
| Bicchiere | 25.5 ± 1.5 ° | 8.9 ± 0.8 ° |
| Polistirolo | 52.7 ± 1.2 ° | 6.8 ± 0.8 ° |
Tabella 1: Angolo di contatto di substrati Prima e dopo il rivestimento con nanoparticelle.
Tabella 1 mostra i dati sperimentali misurati da un angolo di contatto dinamico (DCA) strumento. In questo test, il metodo della piastra Wilhelmy è stato utilizzato per determinare l'effetto del rivestimento di nanoparticelle sulla superficie bagnabilità 9. Per la misurazione dell'angolo di contatto, i campioni sono stati preparati mediante immersione piastre in materiale da testare nella sospensione nanoparticelle e risciacquo con un flusso di acqua distillata per pochi secondi. La piastra è stata disposta consecutivamente immerso in e rimosso da acqua distillata. Curve relativi la tensione interfacciale alla profondità di immersione sono stati tracciati e utilizzati per calcolare l'angolo di contatto sfuggente 10. Nella tabella, si dimostra che la tensione superficiale dei due esempi, vetro e plastica (polistirene), goccesignificativamente dopo il rivestimento.
Figura 3. La dimostrazione di rivestimento idrofilo (1). Metà destra della superficie di policarbonato è stata rivestita con nanoparticelle, mentre la metà sinistra era rivestito. Quando l'intera superficie è stata spruzzata con uno spruzzatore di acqua, superficie rivestita non formare gocce d'acqua. Fai clic qui per vedere una versione più grande di questa figura.
L'effetto del rivestimento può essere facilmente visualizzato confrontando l'effetto bagnante prima e dopo il rivestimento. La figura 3 mostra l'effetto rivestimento idrofilo sulla superficie di una plastica, policarbonato. Mentre la metà destra della superficie superiore è rivestita, la metà sinistra era intatto. Spruzzando sulle surface di queste superfici dimostra chiaramente l'effetto del rivestimento. Le forme e mezzo a destra un sottilissimo velo d'acqua, mentre la metà sinistra forme gocce d'acqua che mostrano che l'acqua non bagnare la superficie.
Figura 4. Dimostrazione di rivestimento idrofilo (2). Posto finestrino del conducente di un'automobile è stato rivestito con nanoparticelle mentre finestrino posteriore era non rivestito. Quando entrambe le finestre erano cosparsi con uno spruzzatore di acqua, superficie rivestita non formare gocce d'acqua. Fai clic qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Per ulteriori dimostrativo, le nanoparticelle prodotte è stato spruzzato sulla superficie del vetro auto (Figura 4). finestra Il sedile del conducente è stato rivestito connanoparticelle, mentre il finestrino posteriore non è stato rivestito. Quando l'acqua viene spruzzata su entrambe le finestre di vetro, l'acqua spruzzata formato uno strato sottile di acqua sul vetro rivestito mentre gocce d'acqua si formano sul vetro non rivestito. Questa foto dimostra chiaramente che il vetro rivestito offre molto migliore visibilità di uno patinata.
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Acknowledgments
Grazie al Sig Jason Adkins per l'assistenza tecnica di esperti.
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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