Detta arbete presenterar ett protokoll för tillverkning natrium volframhaltigt och natrium molybdat mikrokapslar via bakterier och deras motsvarande nanopartiklar.
Vi presenterar en metod, bakteriell mineral utsöndring (BME), för syntes två typer av mikrokapslar, natrium volframhaltigt och natriummolybdat och de två metalloxider motsvarande nanopartiklar — den förra är så liten som 22 nm och senare 15 nm. Vi matas två stammar av bakterier, Shewanella alger och Pandoraea sp., med olika koncentrationer av volframhaltigt eller molybdat joner. Koncentrationerna av volframhaltigt och molybdat justerades för att göra mikrokapslar av olika längd-diameter nyckeltal. Vi fann att ju högre koncentration desto mindre nanopartiklarna var. Nanopartiklarna kom in med tre längd-diameter nyckeltal: 10:1, 3:1 och 1:1, som uppnåddes genom utfodring bakterierna respektive med en låg koncentration, en medellång koncentration och en hög koncentration. Bilder av ihåliga mikrokapslarna togs via den scanning electron microsphere (SEM). Deras kristallen strukturerar kontrollerades av röntgendiffraktion (XRD) — kristallstrukturen av molybdat mikrokapslarna är Na2MoO4 och som av volframhaltigt mikrokapslarna är Na2WO4 med Na2W2O7. Dessa synteser som alla var fulländat under ett nära omgivande villkor.
Metalloxid nanopartiklar utnyttjas för drogen leverans1, konstruktion konstgjorda ben2, heterogen katalys3, fältet utsläpp4,5, solceller6, gas sensorer7, och Lithium batterier8. För praktiska tillämpningar, den mekaniska styrkan hos både nanokristaller och deras mikrostruktur är avgörande. Bland mikrostrukturer, kan ihåliga skal strukturer användas för att skapa lätta, mekaniskt robust material9. Bland ihåliga skal strukturer, är en sfärisk form kända för att vara styvare än ett elliptiskt form; den senare har större längd diameter förhållande än tidigare10,11. Detta arbete beskriver ett protokoll för syntetisera sfäriska mikrokapslar via bakterier med en giftfri metod under en omgivande tillstånd, som kontrasterar med alternativa metoder, bland annat Mall syntes metod12, Ultraljud-spray-assisted syntes metod13 och hydrotermiska metod14. Några av de alternativa metoderna kräver mallar12, några en temperatur så högt som 500 ° C13, och några en hög tryck14. När det gäller strukturen, syntes Mallmetoden utnyttja mallen jäst medför en core-shell struktur15, istället för en med en enda vägg, och den som använder mallen E. coli ger en struktur med längd-diameter förhållandet mellan 1.7:0.8, och inte är sfäriska. 16.
I detta arbete, har vi gjort metalloxid mikrokapslar med en enda vägg och sfärisk form en omgivande villkor genom att utnyttja bakteriell ämnesomsättning. I bakteriell glykolys, en kemisk process som metaboliserar kolkällor, som glukos och laktos, anses kolkällor vara ursprunget till att minska kraften som genereras däri. Vi manipuleras bakteriell ämnesomsättning genom justering av koncentrationen av kolkällor att uppnå önskat mål. Denna metod är miljövänlig, använda giftfria agenter och förbrukar mycket mindre el-energi. Slutligen, denna metod tillåter massproduktion av mikrokapslar helt enkelt genom att öka volymen av buljong.
Innan metoden, har det varit en annan två metoder utnyttja bakteriell ämnesomsättning att göra mineraler: biologiskt inducerad mineralisering (BIM)17 och biologiskt kontrollerade mineralisering (BCM)18. Varken BIM eller BCM kan användas för att göra natrium volframhaltigt och molybdat volframhaltigt mikrokapslar som vår process, som betecknas som den bakteriella mineral utsöndring (BME)19. I detta experiment, form av mikrokapslar kan kontrolleras för att ha ett längd-diameter-förhållande från 10:1 till 1:1 och storleken på nanopartiklar korn som bildar skalen kan justeras mellan 15 nm till 110 nm.
När det gäller bärkraften av experimentella resultat är förberedelse och multiplikation av monoklonala bakterier kritiska. Detta experiment, skiljer sig från mall syntes experiment15,16, anställd bioaktiva gramnegativa bakterier. För att få en enda vägg, valde vi prokaryota bakterier istället för eukaryota bakterier som jäst15. För att uppnå en sfärisk form med längd-diameter förhållandet 1:1, i stället för en större baserat på längd-diameter16, matade vi bakterier med en mycket högre koncentration av oxyanions för att manipulera dem att krympa till en sfärisk form, att göra mikrokapslar med en enda, runda och tunna vägg (< 30 nm).
Eftersom BME bygger främst på justering av koncentrationen av oxyanions att styra metabolismen av bakterier, dragen den två begränsningar. För det första, koncentrationen av oxyanions begränsas av löslighet, om koncentrationen bör vara så högt som möjligt. Andra, mest bakteriell ämnesomsättning kommer att stanna vid en temperatur över 45 ° C eller under 5 ° C, respektive övre och nedre gränserna för vårt experiment.
Trots dessa två begränsningar har BME stor potential för att göra metalloxid material av praktiskt intresse. För att stärka detta påstående, vi kommer att prova denna metod för att göra zirkonium mikrokapslar och järn mikrokapslar — den förra är en bra kandidat material för konstgjorda ben, och den senare för drogen leverans.
The authors have nothing to disclose.
Under detta arbete stöds av ministeriet för vetenskap och teknik, Taiwan, Republiken Kina, bevilja nummer mest 105-2221-E-011-008, och även av avancerat-Connectek Inc., Taipei, Taiwan, ROC enligt avtal nummer RD Ref. nr 6749 och inst. Ref. nr 011 genom den Graderad Institute of Elektro-optiska Engineering, National Taiwan University of Science och teknik.
LB(Lennox)broth with agar tablets | Sigma-Aldrich | L7075 | 1 tablet for 50 mL broth with agar |
LB (Lennox) broth | Sigma-Aldrich | L3022-1KG | LB (Lennox) powder 1 kg |
Dextrose anhydrous | Nihon Shiyaku Reagent | PL 78695 | glucose |
Sodium Tungstate | Nihon Shiyaku Reagent | PL 76050 | Na2WO4 · 2H2O |
Sodium Molybdate | Nihon Shiyaku Reagent | PL103564 | Na2MoO4 · 2H2O |
Sodium Chloride | Nihon Shiyaku Reagent | PL 68131 | NaCl |
Ethanol 99.5% | Acros organics | AC615090040 | CH3CH2OH |
Water | Made in our university | de-ionlized water | |
Autoclave | Tomin Medical Equipmenco, Ltd., Taipei City, Taiwan, ROC | TM-329 | heat to 120 °C for 10 min |
Centrifuge | Digit System Laboratory System, New Taipei City, Taiwan, ROC | DSC302SD | centrifuge at 2025 x g |
-80 °C Refrigerator | Panasonic | MDF-U3386S | Use to deep-freeze cryopreserve strain |
Ultrasonic Homogenizer Sonicator Processor Cell Disruptor | Lenox | UPS-150 | frequency 20 KHz power 150 W |
Incubator | Customer made | custom made | heat to 40 °C or cool to 18 °C with time cotrol |
Reciprocal shaking baths | Kingtech Scientific Co., Ltd | WBS-L | |
Digital Stirring Hot Plate | Corning | #6797-620D | use with PTFE magnetic stirring bar |
Biosafety cabinet | Zong Yen co., LTD | ZYBH-420 | All bacteria related process are done here |
Scanning electron microscope | JEOL | JSM-6500F | SEM Images |
50 mL centrifudge tube | Falcon | 14-432-22 | |
15 mL centrifudge tube | Falcon | 14-959-53A | |
Laboratory bottle 100 mL | Duran | 21 801 24 5 | |
Laboratory bottle 500 mL | Duran | 21 801 44 5 | |
Stainless steel spatula | Chemglass | CG-1981-10 | |
PTFE Disposable Stir Bars | Fisher | S68066 | |
Plastic Petri Dishes | Fisher | S33580A | |
Shewanella algae | Courtesy of author #3 | Courtesy of author #3 | |
Pandoraea sp. | Courtesy of author #3 | Courtesy of author #3 |