Bio-inspirert Polydopamine overflaten modifikasjon av Nanodiamonds og dens reduksjon av Silver nanopartikler
Summary
En lettvinte protokoll er presentert for functionalize overflater av nanodiamonds med polydopamine.
Abstract
Overflate functionalization av nanodiamonds (NDs) er fortsatt utfordrende på grunn av mangfoldet av funksjonelle grupper på ND overflater. Her viser vi en enkel protokoll for multifunksjonelle overflaten endring av NDs ved hjelp av musling-inspirerte polydopamine (PDA) belegg. I tillegg kunne funksjonelle laget av PDA på NDs tjene som et reduksjonsmiddel syntetisere og stabilisere metall nanopartikler. Dopamin (DA) kan selv danner og spontant danne PDA lag på ND overflater om NDs og dopamin er bare blandet sammen. Tykkelsen på en PDA laget styres av varierende konsentrasjonen av DA. Et vanlig resultat viser at tykkelse av ~ 5 ~ 15 nm for PDA laget kan nås ved å legge til 50 til 100 µg/mL DA 100 nm ND suspensjoner. Videre PDA-NDs brukes som et medium til å redusere metall ioner, som Ag [(NH3)2]+, til sølv nanopartikler (AgNPs). Størrelsen på AgNPs stole på de innledende konsentrasjonene av Ag [(NH3)2]+. Sammen med en økning i konsentrasjonen av Ag [(NH3)2]+, antall NPs øker, samt diameter på NPs. I sammendraget, denne studien ikke bare presenterer en lettvint metode for å endre overflater av NDs med PDA, men også viser den forbedrede funksjonaliteten til NDs ved forankring ulike arter av interesse (for eksempel AgNPs) for avanserte programmer.
Introduction
Nanodiamonds (NDs), en roman basert materiale, har tiltrukket seg mye oppmerksomhet de siste årene for bruk i ulike programmer1,2. For eksempel gir høy flater NDS utmerket katalysator støtte for metall nanopartikler (NPs) på grunn av deres super kjemiske stabilitet og varmeledning3. Videre spille NDs viktige roller i bio-imaging, bio-sensing og narkotika-leveranser på grunn av sine fremragende biocompatibility og nontoxicity4,5.
Effektivt utvide sine evner, er det verdifullt å bøye funksjonelle arter på overflater av NDs, for eksempel proteiner og nukleinsyrer nanopartikler6. Selv om en rekke funksjonelle grupper (f.eks., hydroksyl, carboxyl, lactone, etc.) er opprettet på overflater av NDs under rensing, Bøyning rentene i de funksjonelle gruppene er fortsatt svært lav på grunn av lav tetthet av hver aktive kjemiske gruppen7. Dette resulterer i ustabil NDs, som pleier å samlet, begrense ytterligere program8.
Foreløpig er de mest vanlig metodene functionalize NDs, Kovalente Bøyning ved hjelp av kobber-fri Klikk kjemi9, Kovalente kombinasjon av peptid nucleic syrer (PNA)10og selv montert DNA11. Ikke-kovalente innpakning av NDs har også blitt foreslått, inkludert karbohydrat-endret BSA4og HSA12belegg. Men fordi disse metodene er tidkrevende og ineffektiv, er det ønskelig at en enkel og generelt gjelder metode kan utvikles for å endre overflater av NDs.
Dopamin (DA)13, kjent som en naturlig neurotransmitter i hjernen, var mye brukt for å følge og functionalizing nanopartikler, som gull nanopartikler (AuNPs)14, Fe2O315og SiO216 . Selv polymerized PDA lag berike amino og fenoliske grupper, som kan benyttes videre direkte redusere metall nanopartikler eller lett nakkens thiol/Amin-inneholder biomolecules på en vandig løsning. Denne enkle tilnærming ble nylig brukt til å functionalize NDs av Qin et al. og vårt laboratorium17,18, men DA derivater var ansatt å endre NDs via Klikk kjemi i tidligere studier19,20.
Her beskriver vi en enkel PDA-baserte overflaten modifisering metoden som effektivt functionalizes NDs. Varierende konsentrasjonen av DA, kan vi styre tykkelsen på en PDA laget fra et par nanometers titalls nanometer. I tillegg er de metall nanopartikler direkte redusert og stabilisert på PDA overflaten uten behov for ekstra giftige reduksjon agenter. Størrelsen på silver nanopartikler avhenger av første konsentrasjonen av Ag [(NH3)2]+. Denne metoden kan godt kontrollerte avsetning av PDA på overflater av NDs og syntese av ND konjugert AgNPs, som dramatisk utvider funksjonaliteten til NDs gode nano-plattformer av catalyst støtter, bio-avbildning, og Bio-sensorer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne artikkelen inneholder en detaljert protokoll for overflate functionalization NDS med selv polymerized DA belegg og reduksjon av Ag [(NH3)2]+ å AgNPs på PDA lag (Figur 3). Strategien er produsere ulike tykkelser på PDA lag ved å endre konsentrasjonen av DA. Størrelsen på AgNPs kan også styres ved å endre den opprinnelige konsentrasjonen av metall ion løsning. TEM bildet i figur 1A viser ubestrøket …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskningen ble støttet av National Science Foundation (CCF 1814797) og University of Missouri forskning styret, materiale Research Center, og College av kunst og vitenskap ved Missouri universitet for vitenskap og teknologi
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).
