Bio-inspired Polydopamine oppervlak wijziging van Nanodiamonds en de vermindering van zilveren nanodeeltjes
Summary
Een facile protocol is bedoeld om te functionalize van de oppervlakken van de nanodiamonds met polydopamine.
Abstract
Oppervlakte functionalization van nanodiamonds (NDs) is nog steeds uitdagend als gevolg van de diversiteit van functionele groepen op de ND-oppervlakken. Hier tonen we een eenvoudig protocol voor de multifunctionele oppervlakte modificatie voor NDs met behulp van Mossel-geïnspireerde polydopamine (PDA) coating. Bovendien, kan de functionele laag van PDA op NDs dienen als een reducerende agent te synthetiseren en stabiliseren van metalen nanodeeltjes. Dopamine (DA) kan zelf polymeriseren en spontaan PDA lagen op ND oppervlakken te vormen indien de NDs en dopamine worden gewoon gemengd samen. De dikte van de laag van een PDA wordt gecontroleerd door het variëren van de concentratie van de DA. Een typisch resultaat toont aan dat een dikte van ~ 5 tot ~ 15 nm van de PDA-laag kan worden bereikt door het toevoegen van 50 tot 100 µg/mL DA aan 100 nm ND schorsingen. Bovendien, de PDA-NDs worden gebruikt als substraat om metaalionen, zoals Ag [(NH3)2]+, naar silver nanodeeltjes (AgNPs). De grootte van de AgNPs is afhankelijk van de oorspronkelijke concentraties van Ag [(NH3)2]+. Samen met een toename van de concentratie van Ag [(NH3)2]+, het aantal NPs neemt toe, evenals de diameters van de NPs. Kortom, deze studie niet alleen presenteert een facile methode voor het wijzigen van de oppervlakken van NDs met PDA, maar ook toont de verbeterde functionaliteit voor NDs door verankering van de verschillende soorten van belang (zoals AgNPs) voor geavanceerde toepassingen.
Introduction
Nanodiamonds (NDs), een roman koolstof gebaseerde materiaal, hebben aanzienlijke aandacht getrokken in de afgelopen jaren voor gebruik in diverse toepassingen1,2. Bijvoorbeeld, bieden de hoge oppervlakten voor NDs een uitstekende katalysator ondersteuning voor metalen nanodeeltjes (NPs) vanwege hun super chemische stabiliteit en thermische geleidbaarheid3. NDs spelen voorts een belangrijke rol in de bio-imaging, bio-sensing en drug delivery vanwege hun uitstekende biocompatibiliteit en nontoxicity4,5.
Efficiënt hun om mogelijkheden te breiden, is het waardevol voor functionele soorten op de oppervlakken van NDs, zoals eiwitten, nucleïnezuren en nanodeeltjes6conjugaat. Hoewel een verscheidenheid van functionele groepen (bijv., hydroxyl carboxyl, lacton, enz.) worden gemaakt op de oppervlakken van NDs tijdens hun zuivering, de opbrengsten van de vervoeging van de functionele groepen zijn nog steeds zeer laag vanwege de lage dichtheid van elk actieve chemische groep7. Dit resulteert in unstable NDs, die de neiging om aggregaat, toepassing8verder te beperken.
Momenteel zijn de meest voorkomende methoden gebruikt om de functionalize van NDs, covalente conjugatie met behulp van koper-gratis Klik chemie9, covalente koppeling van peptide nucleic zuren (PNA)10, en zelfstandige geassembleerde DNA11. De niet-covalente inwikkeling van NDs heeft ook voorgesteld, met inbegrip van gemodificeerde koolhydraten BSA4en HSA12coating. Omdat deze methoden tijdrovend en inefficiënt zijn, is het echter wenselijk dat een eenvoudige en algemeen geldende methode kan worden ontwikkeld om het wijzigen van de oppervlakken van NDs.
Dopamine (DA)13, bekend als een natuurlijke neurotransmitter in de hersenen, werd gebruikt voor vasthouden en nanodeeltjes, zoals gouden nanodeeltjes (AuNPs)14, Fe2O315en SiO216 functionalizing . Zelf gepolymeriseerde PDA lagen verrijken amino en fenolische groepen, die verder kunnen worden gebruikt om metalen nanodeeltjes direct of gemakkelijk immobiliseren thiol/amine-houdende biomoleculen op een waterige oplossing. Deze eenvoudige aanpak werd onlangs door Qin et al.toegepast om de functionalize van NDs. en onze laboratorium17,18, hoewel DA derivaten werkten wijzigen NDs via Klik op chemie in eerdere studies19,20.
Hier beschrijven we een eenvoudige PDA gebaseerde oppervlakte wijziging methode die efficiënt functionalizes NDs. Door het variëren van de concentratie van DA, kunnen we controleren de dikte van een PDA-laag van een paar nanometer tot tientallen nanometer. Daarnaast zijn de metalen nanodeeltjes direct verminderd en gestabiliseerd op het oppervlak van de PDA zonder de behoefte aan extra vermindering van de toxische agentia. De grootte van de zilveren nanodeeltjes is afhankelijk van de oorspronkelijke concentraties van Ag [(NH3)2]+. Deze methode maakt het mogelijk de goed gecontroleerde depositie van PDA op de oppervlakken van NDs en de synthese van ND geconjugeerd AgNPs, , die de functionaliteit van NDs dramatisch uitbreidt als uitstekende nano-platformen van katalysator ondersteunt, bio-imaging, en Bio-sensoren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit artikel bevat een gedetailleerd protocol voor de oppervlakte functionalization voor NDs met zelf gepolymeriseerde DA coating en de vermindering van de Ag [(NH3)2]+ te AgNPs op PDA lagen (Figuur 3). De strategie is geschikt voor het produceren van verschillende diktes van PDA lagen door simpelweg het veranderen van de concentratie van de DA. De grootte van de AgNPs kan ook worden gecontroleerd door een wijziging van de oorspronkelijke concentratie van meta…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd gesteund door de National Science Foundation (CCF 1814797) en de Universiteit van Missouri Research Board, materiaal Research Center, en de Hogeschool voor de kunsten en wetenschappen aan de Universiteit van Missouri van wetenschap en technologie
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).
