Bio-inspirerade Polydopamine yta ändring av Nanodiamonds och dess förminskning av Silvernanopartiklar
Summary
Ett lättköpt protokoll presenteras för att functionalize ytbehandlar av nanodiamonds med polydopamine.
Abstract
Ytan funktionalisering av nanodiamonds (NDs) är fortfarande utmanande på grund av mångfalden av funktionella grupper på ND ytor. Här visar vi ett enkelt protokoll för den multifunktionella ytmodifiering för NDs med mussel-inspirerade polydopamine (PDA) beläggning. Den funktionella lagret av PDA på NDs kan dessutom tjäna som reduktionsmedel att syntetisera och stabilisera metall nanopartiklar. Dopamin (DA) kan själv polymerisera och spontant bilda PDA lager på ND ytor om den NDs och dopamin är helt enkelt blandat ihop. Tjockleken på en PDA lager styrs genom att variera koncentrationen av DA. Ett typiskt resultat visar att en tjocklek av ~ 5 till ~ 15 nm av lagrets PDA kan nås genom att lägga till 50 till 100 µg/mL DA 100 nm ND suspensioner. Dessutom PDA-NDs används som substrat för att minska metalljoner, såsom Ag [(NH3)2]+, till silver nanopartiklar (AgNPs). Storleken på AgNPs förlita sig på de initiala koncentrationerna av Ag [(NH3)2]+. Tillsammans med en ökning av koncentrationen av Ag [(NH3)2]+, NPs ökar, liksom diametrarna av NPS-servern. Sammanfattningsvis, denna studie inte bara presenterar en lättköpt metod för att ändra ytbehandlar av NDs med PDA, men visar också NDs förbättrad funktionalitet genom att förankra olika arter av intresse (AgNPs) för avancerade tillämpningar.
Introduction
Nanodiamonds (NDs), en roman kolbaserade material, har fått stor uppmärksamhet under de senaste åren för användning i olika program1,2. Exempelvis ger de höga ytor för NDs utmärkt katalysator support för metall nanopartiklar (NPs) för sin Super kemisk stabilitet och värmeledningsförmåga3. Dessutom spelar NDs viktiga roller i bio-imaging, bio-avkänning och drogen leverans på grund av deras enastående biokompatibilitet och nontoxicity4,5.
För att effektivt utöka sin kapacitet, är det värdefullt att konjugat funktionella arter på ytor för NDs, såsom proteiner, nukleinsyror och nanopartiklar6. Även om en mängd funktionella grupper (t.ex., hydroxyl, carboxyl, lakton, etc.) skapas på NDs ytor under deras rening, konjugation avkastningarna av de funktionella grupperna är fortfarande mycket låg på grund av den låga densiteten av varje aktiva kemiska grupp7. Detta resulterar i instabila NDs, som tenderar att aggregat, begränsa ytterligare ansökan8.
För närvarande är de vanligaste metoderna som används för att functionalize NDs, kovalent konjugering med koppar-fri Klicka kemi9, kovalent sammanlänkningen av peptid nukleinsyror (PNA)10och själv monterade DNA11. Icke-kovalenta inslagning av NDs har också föreslagits, inklusive kolhydrater-modifierade BSA4och HSA12beläggning. Men eftersom metoderna är tidskrävande och ineffektiva, är det önskvärt att en enkel och allmängiltig metod kan utvecklas om du vill ändra ytorna på NDs.
Dopamin (DA)13, känd som en naturlig signalsubstans i hjärnan, var allmänt används för klibba och funktionaliserar nanopartiklar, såsom guld nanopartiklar (AuNPs)14, Fe2O315och SiO216 . Själv polymeriserat PDA lager berika amino och fenoliska grupper, som kan utnyttjas ytterligare direkt minska metall nanopartiklar eller enkelt immobilisera thiol/amine-innehållande biomolekyler på en vattenlösning. Denna enkla metod tillämpades nyligen för att functionalize NDs av Qin et al. och vårt laboratorium17,18, även om DA derivat var anställda för att ändra NDs via Klicka på kemi i tidigare studier19,20.
Här, beskriver vi en enkel PDA-baserade ytmodifiering metod som effektivt functionalizes NDs. Genom att variera koncentrationen av DA, kan vi styra tjockleken på en PDA lager från några nanometer till tiotals nanometer. Dessutom minskas de metall nanopartiklarna direkt och stabiliserad på PDA yta utan behov av ytterligare giftiga minskning agenter. Storleken på Silvernanopartiklar beror på de initiala koncentrationerna av Ag [(NH3)2]+. Denna metod tillåter välkontrollerade nedfall av PDA på ytbehandlar av NDs och syntesen av ND konjugerade AgNPs, som dramatiskt utökar funktionerna i NDs utmärkta nano-plattformar av katalysator stöder, bio-imaging, och Bio-sensorer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denna artikel innehåller ett detaljerat protokoll för den ytan funktionalisering av NDs med egen polymeriserat DA beläggning och minskning av Ag [(NH3)2]+ till AgNPs på PDA lager (figur 3). Strategin är kapabel att producera olika tjocklekar av PDA lager genom att helt enkelt ändra koncentrationen av DA. Storleken på AgNPs kan också kontrolleras genom att ändra den ursprungliga koncentrationen av metall ion lösande. TEM bilden i <strong class="xfig"…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning stöddes av National Science Foundation (CCF 1814797) och University of Missouri forskning styrelsen, Material Research Center, College of Arts och vetenskap vid 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).
