Utarbeidelse av funksjonelle Silica bruke en Bioinspired

Chemistry
 

Summary

Her presenterer vi en protokoll for å syntetisere bioinspired silica materialer og nakkens enzymer deri. Silica er syntetisert ved å kombinere natriumsilikat og et Amin 'additiv', som nøytraliserer i en kontrollert hastighet. Materialegenskaper og funksjon kan endres i situ enzym immobilisering eller etter syntetiske syre elueringsrør av innkapslede tilsetningsstoffer.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Manning, J. R., Routoula, E., Patwardhan, S. V. Preparation of Functional Silica Using a Bioinspired Method. J. Vis. Exp. (138), e57730, doi:10.3791/57730 (2018).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Målet av protokoller beskrevet her er syntetisere bioinspired silica materialer, utføre enzym innkapsling der og delvis eller helt rense det samme av syre elueringsrør. Ved å kombinere natriumsilikat med en polyfunctional bioinspired additiv, dannes raskt silica på forholdene på nøytralisering.

Effekten av nøytralisering rate og biomolecule tillegg punkt på silica avkastning er undersøkt, og biomolecule immobilisering effektivitet er rapportert for ulike tillegg punkt. I motsetning til andre porøse silica syntese metoder vises at dens mild vilkår bioinspired silica syntese er kompatible med innkapsling av delikate biomolecules. I tillegg brukes mild forhold over alle syntese og modifikasjon trinn, gjør bioinspired silica lovende mål for oppskalering og kommersialisering som både nakne materiale og aktiv støtte medium.

Syntese er vist å være svært følsomme for forhold, dvs. nøytralisering hastigheten og endelige syntese pH, men stram kontroll over disse parameterne er demonstrert ved hjelp av automatisk titrering metoder, fører til høye reproduserbarhet i reaksjon progresjon veien og avkastning.

Derfor er bioinspired silika et utmerket aktive materiell støtte valg, viser allsidighet mot mange gjeldende programmer, ikke begrenset til de vist her, og styrke i fremtidige anvendelser.

Introduction

Bruk av silisium som en strukturell støtte for industriell katalysatorer er godt etablert, tillater for bedre katalysator aktivitet, stabilitet og processability,1 derfor potensielt redusere driftskostnadene. Disse fordelene er forverret ved enzym immobilisering, som lagringsplassen i en silica pore system kan gi betydelige fordeler på enzymet levetiden over motparten gratis. Følgelig er store anstrengelser brukt i å finne den beste metoden å sy enzymer silica arter, flere anmeldelser sammenligne undersøkelser ved hjelp av ulike metoder for immobilisering på siliceous solid støtter. 2 , 3 , 4

Enzymer knyttes vanligvis via physisorption eller kovalente binding, i tillegg til innkapsling innenfor et porøst materiale. 5 men det er betydelige ulemper knyttet til hver metode: physisorption er avhengig av forbigående overflaten samspillet mellom silisium og biomolecule, som kan veldig lett bli svekket av reaksjonen forhold fører til det uakseptable enzym utvasking. Mye sterkere kovalente vedlegget resulterer i lavere aktivitet på grunn av redusert conformational frihet aktiv arter. Innkapsling kan resultere i redusert aktivitet på grunn av enzymet forhindringer eller diffusional begrensninger. 6

Siste utviklingen i feltet av mildere (ofte kalt "bioinspired") silica synteser etablert i situ innkapsling av biomolecules og andre aktiv arter under materielle syntese. 7 , 8 , 9 denne metoden negerer mange av ulempene ved konvensjonelle immobilisering - i motsetning til chemisorption tilnærminger conformational frihet til biomolecule opprettholdes ved bruk av svakere noncovalent vekselsvirkningene men som skjemaene pore hulrom rundt biomolecule, utvasking er fortsatt forhindret. Faktisk innkapsling har vist seg for å arbeide for en rekke biomolecules og hele celler,10 og forhold kan unngås gjennom innkapsling bioinspired silica effekter som deaktivering på grunn av harde prosessen. 7 , 11

Målet med metoden beskrevet her er å forberede en porøs silica med kontrollerbar egenskaper under forholdene, ved hjelp av en bioinspired organisk additiv. Metoden kan enkelt endres for å inkludere innkapsling av uorganiske eller bioorganic molekyler, et utvalg som skal vises. Videre viser vi en lettvint metode for endring som-syntetisert materialer for å oppnå ønsket bulk egenskaper og rensing ved å fjerne malen organisk gjennom acid elueringsrør.

Sammenlignet med tradisjonell syntese av mal porøse silica støtter (f.ekssilica materiale mal gjennom supramolecular surfactant samlinger som MCM-41 eller SBA-15)12 denne metoden er betydelig raskere og mildere, slik at skreddersydd, i situ innkapsling uten behov for mange immobilisering trinnene og arbeidskrevende rensing. Videre åpnes bruk av syre elueringsrør i stedet for calcination muligheten for organisk overflaten functionalization.

Denne metoden er svært aktuelt for de arbeider i aktiv arter immobilisering som har funnet physisorption eller kovalente immobilization å være ineffektiv. Det er også nyttig for de forsker prosess skalere opp som bioinspired syntese er unikt posisjonert for industrialisering sammenlignet med konvensjonelle mal silica materialer. 13 , 14 denne metoden ikke anbefales for programmer som krever en bestilte rekke porene i den materielle f.eksfor fotonikk, som materiale strukturen er uordnede til tross for enhver likhet i bulk egenskaper.

Protocol

1. utarbeidelse av forløperen løsninger (og valgfri Encapsulant løsninger)

  1. I en 180 mL plast container, måle 1,5 mmol av natriumsilikat pentahydrate (318.2 mg) og løses i 20 mL deionisert vann.
  2. Tilsvarende i andre beholder, måle 0,25 mmol av pentaethylene hexamine (PEHA, 58.1 mg) og løses i 20 mL deionisert vann.
    1. Når du bruker alternative Amin inneholder forbindelser f.eksdiethylenetriamine (DETA) eller triethylenetetraamine (TETA), sikre at den totale Si:N mole forholdet forblir konstant på 1 (dvs. tilsvarer 0,5 mmol av DETA eller 0.375 mmol av TETA i beskrevet prosedyren)15.
    2. Når du bruker polymere Amin tilsetningsstoffer f.ekspoly(ethyleneimine) (PEI) eller poly(allylamine hydrochloride) (PAH), opprettholde en konsentrasjon av 1 mg/mL (siste reaksjon volum)15.
      FORSIKTIG: Håndtere disse aminer bare i avtrekksvifte, som de er skadelig eller giftig i ren form (spesielt som damp).
  3. For å utføre i situ innkapsling under syntese, oppløse en forhåndsbestemt mengde protein (her 50 mg av bovin Serum Albumin, BSA) i 5 mL deionisert vann. Trekk denne mengden vann fra volumet av deionisert vann brukes til oppløsningen av natriumsilikat pentahydrate.
    1. For å lette protein oppløsningen uten å endre strukturen, gang blandet med deionisert vann, cap beholderen og lagre på 4 ° C. Sjekke sporadisk oppløsningen fremdriften, uten stirring.

2. silica syntese

  1. Kombiner løsninger natriumsilikat pentahydrate og PEHA i en av beholderen 180 mL og legge tilstrekkelig deionisert vann for å foreta endelige løsningen volum 41 mL (eller 46 Hvis i situ innkapsling utelates).
  2. Sett blandingen nylagde natriumsilikat og PEHA løsninger på en rørestang tallerken, legger en rørestang bar for å gi konsekvent miksing.
  3. I fartøyet, suspendere en pH-sonde og ta første pH.
    1. På dette stadiet, fjerne eventuelt en 750 µL aliquot på startstreken blanding for senere fastsettelse av den innledende [Si] konsentrasjonen bruke molybden blå Spektrofotometri analysen, som beskrevet i trinn 8.1.
  4. Begynn syntese ved å legge til en forhåndsbestemt mengde 1 M HCl, som beregnes ut fra figur 1, og observere umiddelbar utviklingen av turbiditet (se figur 2)
  5. Så snart tillegget er over, legge encapsulant løsningen (hvis noen) så raskt som mulig.
    NOTE Det siste bindet gitt disse antallene er 50 mL av totale reaksjonsblandingen, fører til Si og N konsentrasjoner av 30mM. Dette kan skaleres som ønsket ved å multiplisere alle over mengder med en konstant beløp.
  6. Registrere pH etter 5 min til å bestemme reaksjonen ferdigstillelse; Kontroller at pH er 7 ± 0,05.

3. syre elueringsrør materiale

  1. Endre sammensetningen av produsert silica etter at reaksjonen har nådd ferdigstillelse (enten som en som gjorde coagulum eller resuspending et tidligere syntetisert utvalg av silisium) med tillegg av ytterligere syre.
  2. Hvis resuspending silika, bland ca 150 mg som forberedt bioinspired silica med 100 mL deionisert vann i en 180 mL plastbeholder, og plasser på toppen av en rørestang plate.
  3. Når suspensjonen er godt blandet, suspendere en pH-sonde i fartøyet.
  4. Sjarmere i ytterligere HCl til ønsket pH (mellom 7 og 2) er nådd og tillate for å stabilisere seg ca. 1 min.
  5. Vent en ytterligere 5 min å sikre systemet har fullt equilibrated, og deretter fortsetter å isolere den solide silica.

4. silica separasjon og tørking

  1. Dekanter bioinspired silika suspensjon i 50 mL sentrifuge rør.
  2. Sentrifuge suspensjon 5000 g i 15 min.
  3. Fjerne nedbryting etter sentrifugering og lager for videre analyse (f.eks Bradford analysen, se nedenfor). Fylle sentrifuge rør med deionisert vann, og å suspendere silica med en vortex blandebatteri.
  4. Gjenta sentrifugering, supernatant lagring, og re-oppheng to ganger.
  5. Etter den endelige sentrifugering, fjerne nedbryting og skrape silica til en keramisk smeltedigel.
  6. Tørr i en ovn overnatting på 85 ° C.
    1. Hvis innkapsling har funnet sted, kan du bruke en fryse-tørking anlegget eller en ovn opererer under vakuum for å unngå protein rødsprit.

5. produksjonen av molybden blå reagens (MBR) for [Si] vilje

  1. Legge til 8 mmol (10 g) ammonium molybdate tetrahydrate i en røyk skap en plast 1 L volumetriske kolbe.
  2. Løses dette i 500 mL vaskebuffer vannet under omrøring.
  3. Syre løsningen ved forsiktig å legge 60 mL 10 M HCl løsning.
  4. Juster endelige volumet til 1 L.

6. produksjon av para-aminophenol sulfate reduksjonsmiddel (RA) for [Si] vilje

  1. Plass en 500 mL glass volumetriske kolbe i et vannbad ved omgivelsestemperatur på en rørestang plate i en røyk-skap.
  2. Legge til 111 mmol (10 g) av vannfri oksalsyre, 19,5 mmol (3,35 g) av para-aminophenol sulfate, og 16 mmol (2 g) av natrium sulfittprosessen og løses i 250 mL vann.
  3. Sakte og forsiktig legge 92 g (50 mL) av mettet svovelsyre under omrøring og vente på løsningen å kjøle.
  4. Til slutt, fortynne til 500 mL med deionisert vann.

7. Silicomolybdic syre analysen på monomerisk Silica arter

  1. 5 mL plast ampuller produsert fortynnet 300 µL av MBR i trinn 5.4 med 3 mL deionisert vann.
  2. Legge til 10 µL med syre test løsning og riste å blande.
    Merk: Denne løsningen vil sakte gule.
  3. Etter nøyaktig 15 min, Legg 1.6 mL reduksjonsmiddel forberedt fra delen 6 å redusere den gule silicomolybdate kompleks til sin blå isomer.
  4. Tillate en blå farge å utvikle for minst 2, men ikke mer enn 24 timer.
  5. Måle eksempel absorbans ved 810 nm i et UV-vis spektrofotometer og beregne [Si] mot en kalibreringskurven.

8. sili Molybdic syre analysen på polymere Silica arter

  1. For å måle konsentrasjonen av polysilicate arter med metoden molybden blå i et microcentrifuge rør, kombinere 750 µL av 2 M natriumhydroksid løsning med 750 µL silica fjæring.
  2. Seal og sted i en microcentrifuge flyte.
    1. Sikre tilstrekkelig headspace er igjen i røret å hindre sprengning på grunn av press oppbygging.
      Merk: En headspace av 500 µL er vanligvis tilstrekkelig for å unngå dette. Alternativt kan prosedyren utføres i åpne ampuller så lenge flytende tap på grunn av fordampning er regnskapsføres.
  3. Float microcentrifuge rør i et vannbad oppvarmet til 80 ° C og la det til å oppløse 1t.
  4. Når 1t har gått, ta ut microcentrifuge rør og tørk utenfor tørr.
  5. Når avkjølt, kan [Si] bestemmes som beskrevet ovenfor som beskrevet i trinnene 7.2 til 7.5.

9. Bradford analysen prosedyre for fastsettelse av Protein konsentrasjon i Silica

  1. Sette inn en forhåndsbestemt (romtemperatur) Bradford reagens og prøve i hver tildelte cuvette (se tabell 1 og tabell 2 for spesifikke volumer). Bruke engangs pipette-spisser for hver cuvette å unngå volum endringer på grunn av reagens og gjenta hvert punkt i tre eksemplarer.
  2. Bland hver cuvette ved å snu 3 ganger og lar for å utvikle for 10 min.
  3. Måle absorbans ved 595 nm bruker ren nedbryting som tom.
  4. Beregne opprinnelige absorbansen om hver cuvette ved å trekke fra hver måling absorbansen funnet for kontroll prøven (cuvette nr 0 i både analyser).
  5. Beregn konsentrasjonen protein ukjent utvalget med en kalibreringskurven (Figur 3). Ved fortynning av den opprinnelige prøven må fortynningsfaktoren regnskapsføres.
    1. Opprette en kalibreringskurven for hvert sett av eksperimenter ved inntegningsrekkefølgen målt absorbansen mot konsentrasjon av BSA å unngå tilfeldige svingninger som kan påvirke analysens følsomhet.
    2. Selv om denne protein analysen er ment å bruke BSA som standard for å kvantifisere alle typer protein, opprette en kalibreringskurven for hver bestemt protein av interesse for forbedret nøyaktighet.
    3. Hvis proteininnholdet i ukjent prøven forventes å være høyere enn dekket området kalibreringskurven, fortynne den etter behov.
  6. Bestemme proteininnhold for hver prøve under re-oppheng å overvåke mulige protein tap.

Representative Results

Teknikkene ovenfor kan konsekvent og reproduserbar utløse silica. Dette er enklest å bestemme ved raskt innsettende turbiditet i reaksjonen fartøyet, som ved opphør av agitasjon spontant vil bosette seg i en tykk coagulum av utfelt silisium (figur 2). Omfanget av reaksjon og dermed avkastning kan bekreftes ved å måle massen av denne coagulum etter separasjonen og er vanligvis 58 ± 6,5% (Figur 4, gul).

Videre innsikt i reaksjon progresjon kan genereres ved å tilpasse molybden blå spektroskopiske metoden for å oppdage hvor mye Ureagert monomerisk silikat arter samt de artene som har reagert danner polysilicates eller 'oligomers', men har ikke klart å nå tilstrekkelig størrelse å tykne (Figur 4, rød og blå henholdsvis).

Bestemt silica artsdannelse dataene er av spesiell interesse når du sammenligner ulike titrering effektivitet for nedbør reaksjonen - dvs hvor siste reaksjon pH og hastigheten som nås påvirker polymerisasjon av monomerisk silisium til en "oligomer" og dens påfølgende coagulation å solid silica. Ved å endre mengden av syre lagt i scenen 2.4 litt, under - eller over - titration reaksjonsblandingen kan være utført (figur 5). Ved å måle silica artsdannelse igjen for disse to tilfellene, kan en klar forskjell sees i reaksjonen er fullført (Figur 4) til tross for bare mindre endringer i titrering profilen for reaksjonen (figur 5).

Selv om det finnes ingen forskjell mellom den monomerisk arter for tre reaksjon tilfeller (gjenværende mellom 29-33%), er det en klar forskjell i oligomeric silica arter som bunnfall i hvert tilfelle. Dette er i samsvar med tradisjonelle teorien på sol-gel silikater - i 'undershoot' tilfelle pH er holdt høyere for lenger, slik at enkelte partiklene til å vokse og dermed hjelpe effektiv koagulering; i 'overshoot' tilfelle koagulering er indusert mye raskere på grunn av den raske titrering har derfor færre av silika arter vokst til en tilstrekkelig størrelse å koagulere og fortsatt fanget i kolloid-fase. 16

Gitt viktigheten av titrering på silica formasjon, er en priori kunnskap om aktuelle titrering volumet viktig. Selv om ikke utvinnbare fra reaksjonen støkiometri på grunn av komplekse protonation opptreden av Amin tilsetningsstoffer og endre silica overflaten Surhet på koagulasjon, pålitelig empirisk relasjoner mellom systemet innholdet, konsentrasjoner og titer volumer er lett generert (figur 1).

Når koagulering er fullført, kan materielle overflater lett endres ved hjelp av syre elueringsrør, som nylig er rapportert av forfatterne andre steder. 13 dette gir finjustering av materialegenskaper som komposisjon, porøsitet og kjemiske aktivitet av additive (figur 6a og b).

I denne studien BSA ble brukt som et eksemplar encapsulant enzym, men teknikkene her kan brukes for flere enzymer17,18. Prosedyren fulgte proteinet oppdagelsen er Bradford analysen protokollen,19 bruker supernatants lagret hver sentrifugering syklus. Hvor mye protein i nedbryting beregnes ved hjelp av en kalibreringskurven opprettet fra kjente mengder BSA oppløst i nedbryting av et utvalg med null proteininnhold (kontroll prøven). Mengden av protein innkapslet i silica beregnes ved subtraksjon av oppdaget proteinet i supernatants fra den innledende beløpet av protein lagt. Den eneste reagensen nødvendig for analysen er Bradford reagensen (anskaffet eller i henhold til standard oppskrifter).

Det finnes tre typer analysen format, avhengig av prøven volumet, den forventede mengden protein kan oppdages og måling metoden. Her, fulgte formatet er angitt for et spektrofotometer, krever disponibel cuvettes makro og mikro størrelse og kan oppdage fra 10 µg/mL til 1,4 mg/mL av protein.

Figur 7 vises hvor mye protein oppdaget etter hver vask (trinn 4.3) som en % av første protein (som var 50 mg). Rundt ble ~ 50% av BSA oppdaget i nedbryting etter den første sentrifugering, som er relatert til ~ 50% immobilisering effektivitet. Som det var ingen BSA oppdaget i de følgende vasker, BSA (eller noen andre enzym) kan sikkert være innkapslet under silica syntese med ingen utvasking - er dette en betydelig fordel av denne metoden. For å bekrefte tilstedeværelse av BSA i silica produsert, ble Fourier transformere infrarød spektroskopi (FTIR)-analyse gjennomført. Tilstedeværelsen av amid karakteristiske bånd I og II i 1500/cm og 1650/cm (Figur 8) i utvalgene forberedt i nærvær av BSA, men i kontroll prøver (ingen BSA) bekreftet ikke tilstedeværelsen av BSA i faste stoffer.

I tillegg metoden enzym tillegg beskrevet ovenfor (BSA lagt under nøytralisering av reaksjonsblandingen) finnes det andre mulige variasjoner f.eksBSA tillegg under blanding av silikat og additiv løsningene, før nøytralisering eller enzym lagt til silikat eller additiv løsningen før deres miksing og nøytralisering. Noen av disse muligheter ble utforsket ytterligere og immobiliseringsløsninger effektiviteten (masse BSA immobilisert som en prosentandel av enzymet lagt til reaksjonssystemet, beregnes basert på Bradford analysen) og mengden BSA i den endelige silica målt ( konsentrasjonen av BSA i silica som en prosent av den totale sammensatte vekten produsert, se figur 9). Var det klart at da BSA ble lagt til Ureagert reagenser (tilfeller vekselstrøm i figur 9) var det ingen store forskjeller i immobilisering effektiviteten eller mengden BSA i det resulterende sammensatt. Men når BSA legges under silica dannelse (sak D i figur 9), immobilisering effektivitet og mengden BSA i det endelige produktet var begge betydelig lavere. Til tross for disse forskjellene forble gjennomsnittlig mengde silica produsert uendret (mellom 85-90 mg). Disse observasjonene kan forklares på grunnlag av ionisering (eller isoelectric punkt) av BSA, silikat/silika og tilsetningsstoff. Ulike metoder for tillegg gir ulike interaksjoner mellom enzym og silica forløpere. Som pH samtidig med tillegg av enzymet endringene avgjør ionisering av hver art intermolekylære samspill, som igjen vil kontrollere immobilisering effektiviteten.

Cuvette No Konsentrasjonen av BSA (mg/mL) Bradford reagens (mL) Eksempel (mL)
0 0 (kontroll) 1.5 0,05
1 0,1 1.5 0,05
2 0,25 1.5 0,05
3 0,5 1.5 0,05
4 0,75 1.5 0,05
5 1 1.5 0,05
6 1.25 1.5 0,05
7 Ukjent utvalg (X) 1.5 0,05

Tabell 1: makro Bradford analysen oppsett og beregnede komponent volumer. Gyldig for fastsettelse området 0.1-1.4mg/mL (bind for 1 replikere)

Cuvette No Konsentrasjonen av BSA (ug/mL) Bradford reagens (mL) Eksempel (mL)
0 0 (kontroll) 1 1
1 1 1 1
2 2.5 1 1
3 5 1 1
4 7.5 1 1
5 10 1 1
6 Ukjent utvalg (X) 1 1

Tabell 2: Micro Bradford analysen oppsett og beregnede komponent volumer. Gyldig for vilje rekkevidde 1-10 µg/mL (volumer for 1 replikere)

Figure 1
Figur 1 : Nødvendig titer volum mot silica konsentrasjon for reaksjon systemer DETA eller PEHA som tilsetningsstoff. Silica ble syntetisert i ulike konsentrasjoner samtidig opprettholde en [N]: [Si] forholdet mellom 1, for to forskjellige additiv kjemikalier. Feilfelt er ett standardavvik rundt middelverdien. 

Figure 2
Figur 2 : Bilder av silisium coagulum på reaksjonen fartøyet (a) under og (b) etter agitasjon, demonstrere løsning turbiditet og settling som er tegn på en optimal reaksjon.  

Figure 3
Figur 3 : Exemplar kalibreringskurven for Bradford makro analysen. Nedbryting fra bioinspired silica syntese i fravær av BSA er blandet med en kjent mengde protein, hvoretter Bradford analyse utføres som beskrevet i trinn 9.1.

Figure 4
Figur 4 : Siste polymerisasjon statene silica Art for ulike reaksjonen forhold. Silica er syntetisert optimal (grunnlinje) betingelser, så vel som med over- eller under titrering, hvoretter relative silica konsentrasjon er kvantifisert for monomerisk eller dimeric silikaen (rød), polysilicate 'oligomers' (blå) og ustabile coagulating silika (gul).

Figure 5
Figur 5 : Utviklingen av pH gjennom reaksjonssystemet som en funksjon av første titer. Acid er umiddelbart dosert etter ca. 38s blanding, forårsaker pH å raskt slippe til under 8. Etter er ytterligere mengder syre automatisk dosert slik at pH var 7.0 ± 0,05 300s etter første. I over titrating var dette ikke oppnåelig, som den første dosen var tilstrekkelig til å slippe pH under 7, nå pH 6.65 etter 300s. Første volum av HCl lagt til 'undershoot', 'planlagte,' og 'overshoot' var 6,90, 7.05 og 7.20mL henholdsvis.

Figure 6
Figur 6 : Representant egenskapsendringer ved forsuring koagulert silica materiale. (a) endre additiv konsentrasjon med hensyn til pH, og (b) endring av silika porøsitet forhold til pH. Gjengitt fra Manning et al. 13 under Creative Commons-lisens. 

Figure 7
Figur 7 : BSA konsentrasjon i bioinspired silica syntese supernatants. Bradford analyser ble utført på reaksjonen supernatants etter sentrifugering, som relative mengden gjenstående (derfor okkludert av den syntetiserte silisium) ble bestemt.

Figure 8
Figur 8 : FTIR analyse av bioinspired silica med og uten aktiv arter innkapsling. Spectra viste: svart linje: bioinspired silika, grå linjen: ren BSA, blå linje: bioinspired silica lastet med BSA. Vertikale stiplede linjer viser karakteristiske amid band. 

Figure 9
Figur 9 : Immobilisering effektivitet og mengden BSA i det ikke-separert silica produsert bruker PEHA. BSA ble lagt til (A) i PEHA løsningen før blande med silikat, (B) i silikat løsningen før blande med PEHA, (C) etter første blanding av PEHA og silikat løsninger, og (D) etter blanding PEHA og silikat løsninger og nøytralisere. Effektivitet måles som % BSA innkapslet fra reaksjonsblandingen andelen totale BSA lagt, mens BSA i silica betyr % konsentrasjon av BSA i siste silica kompositt av masse. Feilfelt er ett standardavvik rundt middelverdien.

Discussion

I arbeidet presenterer vi en metode for raskt fremskynde bioinspired silica materialer og innkapsling av biomolecules der. Vi viser kritiske trinn i prosedyren, nemlig hvor reaksjon-starte syre legges, og tidspunktet for tillegg av biomolecule encapsulant. Vi viser effekten av tillegg beløpet både reaksjon progresjon og avkastning (Figur 4 og figur 5, henholdsvis), og viste en metode for stram kontroll over syntese forhold, slik at for konsistens til tross for denne følsomheten. Om aktiv arter innkapsling, men enkel i prosedyren, innkapsling er vist å være følsom vilkårene for eksperimentet (for tillegg pH i tillegg miljøforhold), men konsekvent materiale egenskaper er igjen oppnåelig.

Syntese vilkårene kan endres ved hjelp av ulike tilsetningsstoffer, hvorav mange har blitt publisert andre steder,15 gir en rekke morphologies og porosities. Videre, etter syntetiske teknikker å endre og kjemisk skreddersy bioinspired silica materialer har blitt rapportert som mild rensing13 og overflaten Amin dekorasjon. 20 til slutt på grunn av mild, vandig natur syntese, i situ innkapsling er mulig for et bredere spekter av underlag enn de vist her, alt fra enzymer17,18 til hele celler,21 Metal salter,22 aktive farmasøytiske ingredienser,23 og kvante prikker. 24

I motsetning til andre organisk-mediert silica synteser (for eksempel MCM-41 eller SBA-15 familien av materialer) bestilt polyfunctional natur bioinspired tilsetningsstoffer ikke kan produsere pore strukturer, eller svært monodisperse partikkelstørrelse distribusjoner karakteristisk for Stöber-type silica. 25 dette er på grunn av mangel av veldefinerte micellization bioinspired tilsetningsstoffer (utenfor spesialtilfeller)26 kombinert med deres økt katalytisk aktivitet over monofunctional Amin inneholder tilsetningsstoffer. 26

På den annen side, muliggjør denne polyfunctional additiv Art bruk av kortere reaksjonstid og mildere temperatur og trykk enn andre organisk-mediert silica synteser. Dette fører også til at romtemperatur additiv elueringsrør som beskrevet ovenfor, som har ennå å bli oppnådd for disse andre silica familier på grunn av spesifikk av deres overflatekjemi. 27 , 28 , 29 derfor bioinspired silica materialer har vist seg å være både mer økonomisk og praktisk å produsere på en større skala, fører til enklere kommersialisering og utvikling. 14

I sammendraget representerer bioinspired silica syntese en rask, lettvint metode for å produsere aktiv arter støtter eller gass absorberende media. Gjennom streng kontroll av pH under og etter reaksjon, kan en rekke silika-Amin kompositter syntetiseres med ulike egenskaper, som er ytterligere supplert med muligheten for i situ innkapsling av en rekke forskjellige organisk, uorganiske eller bio-organisk materiale. Selv om uavhengige etter syntetiske modifikasjon av bioinspired additiv og encapsulant konsentrasjon ennå oppnås, representerer disse metodene et lovende skritt mot miljømessig godartet kjemiske prosesser.

Disclosures

Forfatterne erklære noen konkurrerende økonomisk interesse.

Acknowledgments

Forfatterne takker økonomisk støtte fra avdeling av kjemiske og biologiske Engineering (University of Sheffield) og EPSRC (EP/L017059/1 og EP/P006892/1).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Silica synthesis
Sodium silicate pentahydrate Fisher scientific 10070470
Pentaethylene hexamine (PEHA) Sigma-Aldrich 292753
Diethylenetriamine (DETA) Sigma-Aldrich D93856 Toxic
Triethylenetetraamine (TETA) Sigma-Aldrich 90460
Poly(ethyleneimine) (PEI) Polysciences 6088 1.2K MW
Poly(allylamine hydrochloride) (PAH) Sigma-Aldrich 283215 17.5k MW
Bovine Serum Albumin (BSA) Sigma-Aldrich A2153
Hydrochloric acid (HCl) 1M Fisher Scientific 10487830
Silicomolybdic acid assay
Ammonium molybdate tetrahydrate Sigma-Aldrich A7302 Product replaced by M1019
Hydrochloric acid (HCl) 37.0%wt Fluka Analytical 84436
Anhydrous oxalic acid Sigma-Aldrich 75688
Para-aminophenol sulphate Fisher Scientific 10446880
Sodium sulphite Fisher Scientific 10234400
Sulphuric acid Sigma-Aldrich 84727
Bradford assay
Bradford reagent Sigma-Aldrich B6916
Equipment
Autotitrator Titrando 902 Metrohm 2.902.0010
801 magnetic stirrer plate Metrohm 2.801.0040 For use with above
800 Dosino Metrohm 2.800.0010 For use with above
Aquatrode Plus Metrohm 6.0253.100 For use with above
Centrifuge Sorvall ST16 Thermo Scientific 11814243 Code is for Fisher scientific
UV-Vis spectrophotometer Genesys 10A Thermo scientific 12104972 Code is for Fisher scientific

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Swaisgood, H. E. The use of immobilized enzymes to improve functionality. Proteins Food Process. 607-630 (2004).
  2. Hartmann, M., Kostrov, X. Immobilization of enzymes on porous silicas - benefits and challenges. Chem Soc Rev. 42, (15), 6277 (2013).
  3. Hudson, S., Cooney, J., Magner, E. Proteins in Mesoporous Silicates. Angew Chemie Int Ed. 47, (45), 8582-8594 (2008).
  4. Hanefeld, U., Gardossi, L., Magner, E. Understanding enzyme immobilisation. Chem Soc Rev. 38, (2), 453-468 (2009).
  5. Magner, E. Immobilisation of enzymes on mesoporous silicate materials. Chem Soc Rev. 42, (15), 6213-6222 (2013).
  6. Rodrigues, R. C., Ortiz, C., Berenguer-Murcia, Á, Torres, R., Fernández-Lafuente, R. Modifying enzyme activity and selectivity by immobilization. Chem Soc Rev. 42, (15), 6290-6307 (2013).
  7. Forsyth, C., Patwardhan, S. V. Bio-Inspired Silicon-Based Materials. 5, Springer Netherlands. Dordrecht. (2014).
  8. Luckarift, H. R., Spain, J. C., Naik, R. R., Stone, M. O. Enzyme immobilization in a biomimetic silica support. Nat Biotechnol. 22, (2), 211-213 (2004).
  9. Betancor, L., Luckarift, H. R. Bioinspired enzyme encapsulation for biocatalysis. Trends Biotechnol. 26, (10), 566-572 (2008).
  10. Livage, J., Coradin, T., Roux, C. Encapsulation of biomolecules in silica gels. J Phys Condens Matter. 13, (33), R673-R691 (2001).
  11. Hartmann, M., Jung, D. Biocatalysis with enzymes immobilized on mesoporous hosts: the status quo and future trends. J Mater Chem. 20, (5), 844 (2010).
  12. Carlsson, N., Gustafsson, H., Thörn, C., Olsson, L., Holmberg, K., Åkerman, B. Enzymes immobilized in mesoporous silica: A physical-chemical perspective. Adv Colloid Interface Sci. 205, 339-360 (2014).
  13. Manning, J. R. H., Yip, T. W. S., Centi, A., Jorge, M., Patwardhan, S. V. An Eco-Friendly, Tunable and Scalable Method for Producing Porous Functional Nanomaterials Designed Using Molecular Interactions. ChemSusChem. 10, (8), 1683-1691 (2017).
  14. Drummond, C., McCann, R., Patwardhan, S. V. A feasibility study of the biologically inspired green manufacturing of precipitated silica. Chem Eng J. 244, 483-492 (2014).
  15. Patwardhan, S. V. Biomimetic and bioinspired silica: recent developments and applications. Chem Commun. 47, (27), 7567-7582 (2011).
  16. Iler, R. K. The Chemistry of Silica: Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties and Biochemistry of Silica. Wiley. http://books.google.co.uk/books?id=Dc0RAQAAIAAJ (1979).
  17. Forsyth, C., Yip, T. W. S., Patwardhan, S. V. CO2 sequestration by enzyme immobilized onto bioinspired silica. Chem Commun (Camb). 49, (31), 3191-3193 (2013).
  18. Forsyth, C., Patwardhan, S. V. Controlling performance of lipase immobilised on bioinspired silica. J Mater Chem B. 1, (8), 1164 (2013).
  19. Bradford, M. M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal Biochem. 72, (1-2), 248-254 (1976).
  20. Ewlad-Ahmed, A. M., Morris, M. A., Patwardhan, S. V., Gibson, L. T. Removal of formaldehyde from air using functionalized silica supports. Environ Sci Technol. 46, 13354-13360 (2012).
  21. Yang, S. H., Ko, E. H., Jung, Y. H., Choi, I. S. Bioinspired functionalization of silica-encapsulated yeast cells. Angew Chemie. 50, (27), 6239-6242 (2011).
  22. Alotaibi, K. M., et al. Iron supported on bioinspired green silica for water remediation. Chem Sci. 8, (1), 567-576 (2017).
  23. Davidson, S., Lamprou, D. A., Urquhart, A. J., Grant, M. H., Patwardhan, S. V. Bioinspired Silica Offers a Novel, Green, and Biocompatible Alternative to Traditional Drug Delivery Systems. ACS Biomater Sci Eng. 2, (9), 1493-1503 (2016).
  24. Patwardhan, S. V., Perry, C. C. Synthesis of enzyme and quantum dot in silica by combining continuous flow and bioinspired routes. Silicon. 2, (1), 33-39 (2010).
  25. Nozawa, K., et al. Smart control of monodisperse stöber silica particles: Effect of reactant addition rate on growth process. Langmuir. 21, (4), 1516-1523 (2005).
  26. Belton, D. J., Patwardhan, S. V., Annenkov, V. V., Danilovtseva, E. N., Perry, C. C. From biosilicification to tailored materials: optimizing hydrophobic domains and resistance to protonation of polyamines. Proc Natl Acad Sci U S A. 105, (16), 5963-5968 (2008).
  27. de Ávila, S. G., Silva, L. C. C., Matos, J. R. Optimisation of SBA-15 properties using Soxhlet solvent extraction for template removal. Microporous Mesoporous Mater. 234, 277-286 (2016).
  28. Cassiers, K., Van Der Voort, P., Vansant, E. F. Synthesis of stable and directly usable hexagonal mesoporous silica by efficient amine extraction in acidified water. Chem Commun. (24), 2489-2490 (2000).
  29. Tanev, P. T., Pinnavaia, T. J. Mesoporous Silica Molecular Sieves Prepared by Ionic and Neutral Surfactant Templating: A Comparison of Physical Properties. Chem Mater. 8, (8), 2068-2079 (1996).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics