Bio-inspirerede Polydopamine overflade ændring af Nanodiamonds og dets begrænsning af sølv nanopartikler
Summary
En letkøbt protokol præsenteres for at functionalize overfladen af nanodiamonds med polydopamine.
Abstract
Overflade functionalization af nanodiamonds (NDs) er stadig udfordrende på grund af mangfoldigheden af funktionelle grupper på ND overflader. Her viser vi en enkel protokol for den multifunktionelle overflade ændring af NDs ved hjælp af mussel-inspirerede polydopamine (PDA) belægning. Derudover kunne den funktionelle lag af PDA på NDs tjene som reduktionsmiddel til at syntetisere og stabilisere metal nanopartikler. Dopamin (DA) kan selv polymerisere og spontant danner PDA lag på ND overflader hvis NDs og dopamin er simpelthen blandet sammen. Tykkelsen af et PDA lag styres ved at variere koncentrationen af DA. En typisk resultat viser, at en tykkelse af ~ 5 til ~ 15 nm af laget PDA kan nås ved at tilføje 50 til 100 µg/mL af DA 100 nm ND suspensioner. Derudover PDA-NDs anvendes som substrat til at reducere metalioner, som Ag [(NH3)2]+, at sølv nanopartikler (AgNPs). Størrelsen af AgNPs stole på de oprindelige koncentrationer af Ag [(NH3)2]+. Sammen med en stigning i koncentrationen af Ag [(NH3)2]+, antallet af NPs stigninger såvel som diameteren af de nationale parlamenter. I Resumé, denne undersøgelse ikke kun præsenterer en letkøbt metode til at ændre overflader af NDs med PDA, men viser også den forbedrede funktionalitet af NDs ved at forankre forskellige arter af interesse (såsom AgNPs) til avancerede programmer.
Introduction
Nanodiamonds (NDs), en roman kulstof-baseret materiale, har tiltrukket stor opmærksomhed i de seneste år til brug i forskellige programmer1,2. For eksempel, yde de høje overfladen områder af NDs fremragende katalysator støtte til metal nanopartikler (NPs) på grund af deres super-kemiske stabilitet og varmeledningsevne3. Derudover spiller NDs væsentlige roller i bio-imaging, bio-sensing og medicinafgivelse på grund af deres fremragende biokompatibilitet og nontoxicity4,5.
Du kan effektivt forlænge deres evner, er det værdifuldt at konjugat funktionelle arter på overflader af NDs, såsom proteiner, nukleinsyrer og nanopartikler6. Selv om en række funktionelle grupper (fx., hydroxyl, carboxyl, lacton, etc.) er skabt på overflader af NDs under deres rensning, konjugation udbytter af funktionelle grupper er stadig meget lav på grund af den lave tæthed af hver aktive kemiske gruppe7. Dette resulterer i ustabile NDs, som har tendens til at aggregat, begrænse yderligere program8.
I øjeblikket er de mest almindelige metoder til functionalize NDs, kovalente konjugation ved hjælp af kobber-gratis Klik kemi9, kovalente sammenkædning af peptid nukleinsyrer (PNA)10og selvsamlede DNA11. Non-kovalente indpakning af NDs er også blevet foreslået, herunder kulhydrat-modificerede BSA4og HSA12belægning. Fordi disse metoder er tidskrævende og ineffektiv, er det imidlertid oenskeligt, at en enkel og generelt anvendelig metode kan udvikles til at ændre overflader af NDs.
Dopamin (DA)13, kendt som en naturlig neurotransmitter i hjernen, var udbredt for vedhængende og functionalizing nanopartikler, såsom guld nanopartikler (AuNPs)14, Fe2O315og SiO216 . Selvstændig polymeriseret PDA lag berige amino og phenolforbindelser grupper, som kan udnyttes yderligere direkte reducere metal nanopartikler eller let immobilisere thiol/Amin-holdige biomolekyler på en vandig opløsning. Denne enkle tilgang blev for nylig anvendt til at functionalize NDs af Qin mfl. og vores laboratorium17,18, men DA derivater var ansat til at ændre NDs via Klik på kemi i tidligere undersøgelser19,20.
Her, beskriver vi en simpel PDA-baserede overflade ændring metode, der effektivt functionalizes NDs. Ved at variere koncentrationen af DA, kan vi kontrollere tykkelsen af et PDA lag fra nogle få nanometer til snese nanometer. Derudover er de metal nanopartikler direkte reduceret og stabiliseret på PDA overflade uden behov for yderligere reduktion af giftige stoffer. Størrelser af sølv nanopartikler afhænge af de oprindelige koncentrationer af Ag [(NH3)2]+. Denne metode giver mulighed for velkontrollerede aflejring af PDA på overflader af NDs og syntesen af ND konjugeret AgNPs, , som dramatisk udvider funktionaliteten af NDs fremragende nano-platforme af katalysator understøtter, bio-imaging, og Bio-sensorer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne artikel indeholder en detaljeret protokol til den overflade functionalization af NDs med selvstændige polymeriseret DA belægning og reduktion af Ag [(NH3)2]+ til AgNPs på PDA lag (figur 3). Strategien er i stand til at producere forskellige tykkelser af PDA lag ved blot at ændre koncentrationen af DA. Størrelsen af AgNPs kan også styres ved at ændre den oprindelige koncentration af metal ion opklaring. TEM billedet i figur 1<…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev støttet af National Science Foundation (CCF 1814797) og University of Missouri forskning Board, materiale Research Center, og College af kunst og videnskab på Missouri University of Science and Technology
Materials
| Nanodiamond | FND Biotech, Inc. | brFND-100 | dispersed in water, and used without further purification |
| Dopamine hydrochloride | Sigma | H8502-25G | prepare freshly |
| Silver Nitrate | Fisher | S181-25 | |
| Ammonium Hydroxide | Fisher | A669S-500 | highly toxic |
| Tris Hydrochloride | Fisher | BP153-500 | |
| TEM grid carbon film | Ted Pella | 01843-F | 300 mesh copper |
References
- Mochalin, V. N., Shenderova, O., Ho, D., Gogotsi, Y. The properties and applications of nanodiamonds. Nature Nanotechnology. 7 (1), 11-23 (2011).
- Kucsko, G., et al. Nanometre-scale thermometry in a living cell. Nature. 500 (7460), 54-58 (2013).
- Liu, J., et al. Origin of the Robust Catalytic Performance of Nanodiamond-Graphene-Supported Pt Nanoparticles Used in the Propane Dehydrogenation Reaction. ACS Catalysis. 7 (5), 3349-3355 (2017).
- Chang, B. -. M., et al. Highly Fluorescent Nanodiamonds Protein-Functionalized for Cell Labeling and Targeting. Advanced Functional Materials. 23 (46), 5737-5745 (2013).
- Ho, D., Wang, C. H., Chow, E. K. Nanodiamonds: The intersection of nanotechnology, drug development, and personalized medicine. Science Advances. 1 (7), 1500439 (2015).
- Hsu, M. H., et al. Directly thiolated modification onto the surface of detonation nanodiamonds. ACS Applied Materials and Interfaces. 6 (10), 7198-7203 (2014).
- Krueger, A. Diamond Nanoparticles: Jewels for Chemistry and Physics. Advanced Materials. 20 (12), 2445-2449 (2008).
- Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C., Mochalin, V. N. Salt-assisted ultrasonic deaggregation of nanodiamond. ACS Applied Materials and Interfaces. 8 (38), 25461-25468 (2016).
- Akiel, R. D., Zhang, X., Abeywardana, C., Stepanov, V., Qin, P. Z., Takahashi, S. Investigating Functional DNA Grafted on Nanodiamond Surface Using Site-Directed Spin Labeling and Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy. Journal of Physical Chemistry B. 120 (17), 4003-4008 (2016).
- Gaillard, C., et al. Peptide nucleic acid-nanodiamonds: covalent and stable conjugates for DNA targeting. RSC Advances. 4 (7), 3566-3572 (2014).
- Zhang, T., et al. DNA-based self-assembly of fluorescent nanodiamonds. Journal of the American Chemical Society. 137 (31), 9776-9779 (2015).
- Liu, W., et al. Fluorescent Nanodiamond-Gold Hybrid Particles for Multimodal Optical and Electron Microscopy Cellular Imaging. Nano Letters. 16 (10), 6236-6244 (2016).
- Lee, H., Dellatore, S. M., Miller, W. M., Messersmith, P. B. Mussel-inspired surface chemistry for multifunctional coatings. Science. 318 (5849), 426-430 (2007).
- Wang, C., Zhou, J., Wang, P., He, W., Duan, H. Robust Nanoparticle-DNA Conjugates Based on Mussel-Inspired Polydopamine Coating for Cell Imaging and Tailored Self-Assembly. Bioconjugate Chemistry. 27 (3), 815-823 (2016).
- Liu, R., Guo, Y., Odusote, G., Qu, F., Priestley, R. D. Core-shell Fe3O4 polydopamine nanoparticles serve multipurpose as drug carrier, catalyst support and carbon adsorbent. ACS Applied Materials and Interfaces. 5 (18), 9167-9171 (2013).
- Liu, R., et al. Dopamine as a Carbon Source: The Controlled Synthesis of Hollow Carbon Spheres and Yolk-Structured Carbon Nanocomposites. Angewandte Chemie International Edition. 50 (30), 6799-6802 (2011).
- Zeng, Y., Liu, W., Wang, Z., Singamaneni, S., Wang, R. Multifunctional surface modification of nanodiamonds based on dopamine polymerization. Langmuir. 34 (13), 4036-4042 (2018).
- Qin, S., et al. Dopamine@Nanodiamond as novel reinforcing nanofillers for polyimide with enhanced thermal, mechanical and wear resistance performance. RSC Advances. 8 (7), 3694-3704 (2018).
- Barras, A., Lyskawa, J., Szunerits, S., Woisel, P., Boukherroub, R. Direct functionalization of nanodiamond particles using dopamine derivatives. Langmuir. 27 (20), 12451-12557 (2011).
- Khanal, M., et al. Toward Multifunctional “Clickable” Diamond Nanoparticles. Langmuir. 31 (13), 3926-3933 (2015).
- Rad, M. H., Zamanian, A., Hadavi, S. M. M., Khanlarkhani, A. A Two-Stage Kinetics Model for Polydopamine Layer Growth. A Two-Stage Kinetics Model for Polydopamine Layer Growth. Macromolecular Chemistry and Physics. , 1700505 (2018).
- Ball, V., Frari, D. D., Toniazzo, V., Ruch, D. Kinetics of polydopamine film deposition as a function of pH and dopamine concentration: Insights in the polydopamine deposition mechanism. Journal of Colloid and Interface Science. 386 (1), 366-372 (2012).
- Liu, Y., Ai, K., Lu, L. Polydopamine and its derivative materials: synthesis and promising applications in energy, environmental, and biomedical fields. Chemical Reviews. 114 (9), 5057-5115 (2014).
- Hu, J., Wu, S., Cao, Q., Zhang, W. Synthesis of core-shell structured alumina/Cu microspheres using activation by silver nanoparticles deposited on polydopamine-coated surfaces. RSC Advances. 6 (85), 81767-81773 (2016).
- Orishchin, N., et al. Rapid Deposition of Uniform Polydopamine Coatings on Nanoparticle Surfaces with Controllable Thickness. Langmuir. 33, 6046-6053 (2017).
- González, A. L., Noguez, C., Beránek, J., Barnard, A. S. Size, Shape, Stability, and Color of Plasmonic Silver Nanoparticles. Journal of Physical Chemistry C. 118 (17), 9128-9136 (2014).
- Muthuchamy, N., Gopalan, A., Lee, K. -. P. A new facile strategy for higher loading of silver nanoparticles onto silica for efficient catalytic reduction of 4-nitrophenol. RSC Advances. 5 (93), 76170-76181 (2015).
- Bastus, N. G., Comenge, J., Puntes, V. Kinetically Controlled Seeded Growth Synthesis of Citrate-Stabilized Gold Nanoparticles of up to 200 nm: Size Focusing versus Ostwald Ripening. Langmuir. 27 (17), 11098-11105 (2011).
- Jana, J., Gauri, S. S., Ganguly, M., Dey, S., Pal, T. Silver nanoparticle anchored carbon dots for improved sensing, catalytic and intriguing antimicrobial activity. Dalton Transactions. 44 (47), 20692-20707 (2015).
- Zamudio, A., et al. Efficient anchoring of silver nanoparticles on N-doped carbon nanotubes. Small. 2 (3), 346-350 (2006).
- Chen, K., Li, T. Modification of membranes with polydopamine and silver nanoparticles formed in situ to mitigate biofouling. U.S. Patent Application. , (2016).
