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  • 摘要
  • 摘要
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摘要

目前的工作描述了一种制造胶束纳米晶的方法, 这是一个新兴的 nanobiomaterials 类。该方法结合自顶向下的电喷雾, 自下而上的自我装配和溶剂型结构控制。制造方法主要是连续的, 能生产出高质量的产品, 并具有低廉的结构控制手段。

摘要

胶束纳米晶 (胶束与封装纳米晶) 已成为一个新兴的主要类的 nanobiomaterials。本文介绍了一种基于自顶向下的电喷雾, 自下而上的自我装配和溶剂型结构控制的胶束纳米晶制备方法。该方法首先使用电喷雾产生均匀的超细液滴, 每一个都作为一个微型反应器, 在其中产生自组装反应形成胶束纳米晶, 与结构 (胶束形状和纳米晶封装) 由使用的有机溶剂控制。该方法在很大程度上是连续的, 生产高质量的胶束纳米晶产品, 结构控制方法低廉。利用水溶性有机溶剂四氢呋喃 (THF), 可以产生由溶剂诱导/促进胶束融合的蜗杆状胶束纳米晶。与普通球形胶束纳米晶相比, 蜗杆状胶束纳米晶能提供最小的非特异细胞吸收, 从而增强生物靶向性。通过将多个纳米晶共同封装到每个胶束中, 可以实现多功能或协同效应。目前这种制造方法的局限性将成为未来工作的一部分, 主要包括胶束纳米晶产品中的不完美封装和过程的不完全连续性质。

引言

纳米晶如半导体量子点 (QDs) 和超顺磁性氧化铁纳米粒子 (SPIONs) 显示了生物检测、成像、操作和治疗的巨大潜力1, 2, 3,4,5,6。将一个或多个纳米晶封装成胶束已成为一种广泛使用的方法, 用于将纳米晶与生物环境 (3,6) 接口。由此形成的胶束纳米晶 (胶束与纳米晶封装) 已成为一个新兴的类 nanobiomaterials7,8,9,10。通常使用的方法来制造封装各种材料的胶束 (例如, 纳米晶, 小分子药物和染料) 包括膜水化, 透析, 和其他几个7,11。

本工作描述了一种基于自顶向下的电喷雾, 自下而上的自我组装和溶剂介导的结构控制的制备胶束纳米晶的方法。与胶束纳米晶的其它制备方法相比, 本方法具有以下几个有益的特点: (1) 它是一个很大的连续生产过程。这一特点主要是因为我们的方法中使用了电喷雾形成乳液滴。相比之下, 一些其他方法使用涡流或超声波来形成乳化液滴, 从而使这些方法在自然界中的批处理过程为12。(2) 产生的产品具有水分散性高、胶体稳定性好、封装纳米晶的完好的物理功能。与其它胶束封装方法相比, 该工艺往往能使产品具有优异的质量, 在很大程度上是因为电喷雾能形成超细和均匀的乳化液滴。(3) 产品的结构, 包括胶束形状和封装的纳米晶的数量, 可以由溶剂控制, 这比其他控制方式, 如改变所使用的两亲聚合物, 更便宜, 并能产生不仅是通常可用的球形胶束形状, 但蠕虫样胶束的形状通过胶束融合13。由此形成的蜗杆状胶束纳米晶可大大减少非特异的细胞吸收比球形对应物13。另一方面, 值得指出的是, 这种方法需要安装一个电喷雾装置, 它在技术上比其他方法的需要更严格 (虽然远不受禁止)。

本发明的方法包括首先生成具有均匀尺寸的超细液体 (通常为水中乳化液) 液滴, 其次是有机溶剂的蒸发, 导致自组装形成胶束纳米晶 (图1).电喷雾装置具有同轴构型使用同心针: 油相, 其中含有两亲嵌段共聚物和疏水性纳米晶溶解于有机溶剂, 被送到内针 (27 克不锈钢毛细管) 用注射器泵;水相, 其中含有溶解在水中的表面活性剂, 被交付到外针 (20 克不锈钢三路连接器) 与第二注射器泵。高压适用于同轴喷嘴。由于电动力克服了液体中的表面张力和惯性应力, 产生了均匀尺寸的超细水滴。每个液滴基本上都是一个 ' 微反应器 ', 在其中, 当有机溶剂蒸发后, 自组装的反应会自发地由于疏水性的相互作用而发生。使用不同的有机溶剂导致不同结构的胶束纳米晶: 水不溶性有机溶剂氯仿导致球形胶束形状, 而水混溶有机溶剂 THF 长反应时间导致蠕虫样胶束形状随着增强的纳米晶封装。

研究方案

注意: 由于使用有机溶剂, 所有操作都应在化学油烟机中进行。由于使用了高电压, 避免在电源通电时与设备进行身体接触。使用所有适当的安全做法, 如使用个人防护设备 (安全眼镜, 手套, 实验室大衣, 全长长裤, 和闭合脚趾鞋)。查阅所有相关的材料安全数据表 (MSDS)。

1. 材料的设置

  1. 要准备 QDs 溶液, 溶解10毫克疏水性 (荧光发射峰值波长 = 605 nm, 用作这里的模型纳米晶) 在20毫升有机溶剂 (氯仿生产球形胶束形状或 THF 产生蠕虫状胶束形状) 和漩涡二十年代。
  2. 制备 ps-peg 溶液, 溶解100毫克 ps peg (两亲嵌段共聚物, 9.5 kDA ps 节和 18.0 kDA PEG 段) 在10毫升有机溶剂 (氯仿生产球形胶束形状或 THF 生产蠕虫状胶束形状)。用涡流1分钟 (氯仿) 或浴油脂实验混合溶液, 2 分钟 (THF)。
  3. 混合1毫升溶液和1毫升 PS-PEG 溶液和涡流1分钟. 将混合物加入注射器 A。注射器是用聚四氟乙烯做的。
  4. 为制备 pva 溶液, 在60–80°c 的热水浴中, 将400毫克 pva (13-23 kDa, 87-89% 水解) 在10毫升水中溶解, 第4-5 h. 允许 PVA 溶液在使用前冷却到室温。
  5. 在注射器 B 中加入5毫升 PVA 溶液。注射器是用聚四氟乙烯做的。

2. 设备的设置

  1. 将内毛细管插入外毛细管组件中, 轻轻拧入原位。不要过度收紧。图 2显示了同轴电喷雾系统的总体设置。内毛细针为27克 (外径500µm; 内径300µm) 不锈钢毛细管, 外针为20克 (外径1000µm; 内径500µm) 不锈钢三路连接器。所用的聚四氟乙烯油管内径为1.8 毫米。
  2. 在注射器泵上装载注射器 a, 如图 2所示。用聚四氟乙烯管将注射器 A 连接到电喷雾同轴喷嘴的内不锈钢毛细管中。
  3. 在注射器泵 b 上装载注射器 b, 如图 2所示。用聚四氟乙烯管将注射器 B 与电喷雾同轴喷嘴的外不锈钢毛细管连接起来。
  4. 将电喷雾同轴喷嘴尖端放置在接地钢环上方约0.8 厘米 (直径为1.5 厘米)。
  5. 在同轴喷嘴下方放置一个约10厘米的玻璃收集盘。
  6. 关闭电源后, 将接地线 (图 2中的黑线) 连接到接地的钢环上。
  7. 关闭电源后, 使用金属鳄鱼夹子将电源的正端 (图 2中的红线) 连接到同轴喷嘴的内针。

3. 胶束纳米晶的生产

  1. 将注射器泵的速度设置为0.6 毫升/小时。
  2. 将注射器泵的速度设置为1.5 毫升/小时。
  3. 启动两个注射器泵, 并等待其各自的流量稳定。在喷嘴上以稳态速率形成的水滴表示稳定的流速。这通常发生在六十年代后, 启动注射器泵。
    注: 在电喷雾同轴喷嘴中, 油管内不应有气泡, 液滴应形成。
  4. 打开电源, 将正高压应用于电喷雾同轴喷嘴。调整在 5–9 kV 范围内的应用电压, 直到一个凹锥射流 (即, 一个会聚射流, 俗称为 ' 泰勒锥 ') 在同轴喷嘴的尖端观察 (如图 3a的插入所示)。
    注意: 当高压应用时, 一定不要接触电喷雾喷嘴。遵循适当的安全防范措施。
    注: 应用电压不足会导致喷嘴端部的水滴形成 (如图 3b的插入所示), 而施加电压过高会导致喷嘴与接地钢环之间产生电弧。
  5. 在稳定的泰勒锥 (图 3a) 获得后, 将10毫升去离子水添加到干净的收集盘中, 并替换安装中的玻璃收集盘。新菜将收集胶束纳米晶产品。
  6. 在一定的时间内运行胶束纳米晶生产过程 (大约40分钟生产球形胶束形状或大约90分钟产生蠕虫状胶束形状)。然后从电喷雾喷嘴下面取出收集皿。
  7. 停止注射器泵 A 和 B。
  8. 关闭高压电源。
  9. 允许有机溶剂蒸发 (在通风罩) 从发现的收集盘过夜。
    注: 从胶束纳米晶产品的表征结果看, 隔夜蒸发足以去除有机溶剂, 获得质量好的产品。
  10. 最后, 将胶束纳米晶产品转移到15毫升离心管中进行表征 (例如、荧光光谱、动态光散射、透射电镜和热分析)、应用或存储。将最终的胶束纳米晶产品存储在冰箱中4摄氏度。
    注: 该产品在这个贮存条件下可保持稳定至少一个月。

结果

图 1显示了一个示意图, 概述了生产过程中使用的有机溶剂对胶束纳米晶的结构 (形状和封装) 的控制。简单地, 二氯甲烷导致球形胶束不封装纳米晶;氯仿导致球形胶束与低封装数量的纳米晶;THF 在短反应时间和蜗杆状胶束中, 在较长的反应时间内, 具有高封装数纳米晶的球形胶束。

用氯仿作为有机溶剂产生...

讨论

本工作所描述的胶束纳米晶的制备方法是将自顶向下的电喷雾、自下而上的自我组装和溶剂型结构控制相结合。采用同轴喷嘴尖端形成的泰勒锥, 是一种有效、方便的质量控制方法。这是因为一个正确形成的泰勒锥表示在电力和表面张力之间的平衡 (或接近平衡), 这反过来表明, 成功形成的微型反应堆 (均匀超细滴) 为自组装反应发生自发.如果泰勒锥没有正确的形成, 你应该调整电源电压和注射器泵...

披露声明

作者没有什么可透露的。

致谢

作者感谢来自中国中央政府的 "千少年全球人才" 奖的资助, 来自江苏省政府的 "双创" 奖、工程学院创办基金和应用科学, 南京大学, 中国, 由 "天基" 基金会授予, 由江苏省自然科学基金 (PAPD) 优先学术项目发展基金资助。

材料

NameCompanyCatalog NumberComments
Hydrophobic quantum dotsOcean NanotechQSPSolid hydrophobic CdSe/ZnS quantum dots. Peak fluorescence emission wavelength is 605 nm.
Poly(styrene)-b-poly(ethylene glycol) (PS-PEG)Sigma-Aldrich666476-500MGMolecular weight of PS segment is 9.5 kDa and that of PEG segment is 18.0 kDa.
Poly(vinyl alcohol) (PVA)Sigma-Aldrich363170-500GMolecular weight 13–23 kDa, 87–89% hydrolyzed.
Tetrahydrofuran (THF)Sinopharma Chemical Reagent80124418
ChloroformSinopharma Chemical Reagent40007960
Syringe pumpsBao Ding Shen ChenSPLab01
TubingShanghei Lai Xing2 mm outer diameter and 1.8 mm inner diameter PTFE tubing.
SyringesYi Ming5.CC5 mL disposable syringe made of PTFE.
High voltage power supplyDong WenDW SeriesDirect current power supply (0–50 kV range).
Electrospray coaxial nozzleHunan Chang Sha Na YiStainless steel assembly. Inner capillary needle was a 27 gauge (outer diameter 500 μm; inner diameter 300 μm). Outer capillary was a 20 gauge (outer diameter 1,000 μm; inner diameter 500 μm).
VortexerXi'an HEB Biotechnology Co., Ltd. ChinaMX-SMX-S with wide speed range of 0–2,500 rpm, stepless speed regulation, touch and continuous operations.
Steel ringYiwu Wan TuRings with a range of diameters (0.8–1.8 cm) can be constructued. For example, a 1.3 cm diameter ring was constructed by curling an approximately 25 cm (length) of 0.5-mm diamter (24 gauge, AWG) steel wire.
Glass collecting dishGrainger1u508425-mm height and 120-mm diameter glass dish.
15 mL centrifuge tubeJiangsu Xinkang Medical Instrument Co., Ltd.X-407Centrifuge tube is made of transparent polypropylene (PP).

参考文献

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