Noi riconosciamo con gratitudine la National Science Foundation (CHE-0847145), e la Henry Dreyfus Teacher-Scholar Awards Program per sostenere generosamente questa ricerca. Vorremmo riconoscere specificamente Christine Davis, direttore di Microscopia e Imaging presso il Dipartimento di Biologia presso l&#39;Università di Richmond per la sua assistenza con cross-sectional imaging. Un ringraziamento speciale è dato a Drs. T. Leopoldo, Caso R. Kanters, D. Kellogg, R. Miller, e W., così come, Russ Collins, Phil Giuseppe, Carolyn Marks, Mandy e John Mallory Wimbush - i quali rendono possibile la ricerca di laurea presso l&#39;Università di Richmond. Un personalissimo ringraziamento è dato a tutti gli attuali, i ricercatori passati e futuri di laurea nel laboratorio di ricerca Leopoldo.

1. Hexanethiolate monostrato Protetta di sintesi Oro Clusters Hexanethiolate funzionalizzati cluster d&#39;oro monostrato protette (PPM) sono sintetizzati seguendo un 2:1 1-hexanethiol (C6) rapporto tra mole d&#39;oro per la produzione di una struttura media di Au 225 (C6) 75. 4-9 modifiche specifiche per la reazione Brust, come trattamenti di tipo ligando, specifiche tiolo-to-oro rapporti, temperatura, velocità di reazione e la consegna, o post-sintesi, 9-11 possono produrre una vasta gamma di PPM con dimensioni variabili fondamentali e funzionali dei gruppi di protezione, rispettivamente. 4 La approssimativo MPC ( media) composizioni di PPM funzionalizzati con vari gruppi alkanethiol può essere determinato da protone (1 H), risonanza magnetica nucleare (NMR) analisi di iodio-decomposto campioni. <ol><li> Sciogliere 1,1 g di bromuro tetraoctylammonium (TOABr) in 30 mL di toluene con opportuna ventilazione cappa. </li><li> Sciogliere 0,38 g di sodio boroidruro (NaBH 4) in ~ 20 ml d&#39;acqua di 18 MΩ ultrapurified (UP H 2 O) e lasciare raffreddare con ghiaccio per almeno 30 min. </li><li> Sciogliere 0,31 g di idrogeno tetrachloroaurate cloraurico (HAuCl4) in ~ 20 ml di UP H 2 O e trasferire quantitativamente la miscela soluzione al TOABr-toluene soluzione utilizzando un ulteriore ~ UP 5 ml di H 2 O, per trasferimento di fase acquosa l&#39;oro soluzione alla soluzione nonaqueous. Mescolare rigorosamente mentre leggermente ricoperto per 30 min in modo che il colore arancione bruciato fasi acquose e chiare nonaqueous sono mescolando bene. </li><li> Trasferimento sia il acquosa chiara e arancione bruciato fasi nonaqueous ad un imbuto separatore. Eliminare il acquosa (in basso) livello e decantare il nonaqueous (in alto) livello in un vasetto pulito. </li><li> Aggiungi C6 in un rapporto di 2:1 con HAuCl 4 per la soluzione nonaqueous. Mescolare per 30 minuti per formare una (I) Au polimero, come rilevato da un cambiamento di colore da arancio rossastro ad un giallo pallido, quasi incolore soluzione. </li><li> Trasferire la miscela di reazione a un bagno di ghiaccio isolato e freddo a 0 ° C per almeno 30 minuti mescolando. </li><li> Quantitativamente e aggiungere rapidamente il freddo NaBH 4 soluzione alla miscela di reazione in modo da ridurre Au (I) per un oro metallico in presenza di tioli, istantaneamente formando una soluzione spessa nera dopo l&#39;aggiunta di PPM. Mescolare reazione notte a 0 ° C. </li><li> Trasferire la miscela di reazione in un imbuto separatore, eliminare l&#39;acqua (basso) livello in un bicchiere di rifiuti, e rotante evaporare l&#39;nonaqueous (in alto) strato di toluene vicino a secchezza completa lasciando un fango pesante nero nel pallone. </li><li> Precipitare la PPM con l&#39;aggiunta di acetonitrile e permettendo di sedersi durante la notte. </li><li> Raccogliere PPM filtrazione sotto vuoto con una fritta di vetro di media porosità con raccordi in gomma e side-armati pallone con aspiratore e sciacquare con abbondante acetonitrile. </li><li> Lasciare asciugare all&#39;aria PPM, pesare prodotto, caratterizzano da microscopia elettronica a trasmissione (TEM) e analisi NMR, e conservare ricoperto per un uso futuro. Ottenere immagini TEM a goccia-casting PPM disciolti in toluene su formvar / sostegno al cinema di carbonio sulla griglia di rame (400 mesh) e il funzionamento dello strumento TEM a 80-100 kV. La dimensione del nucleo medio può essere stimato utilizzando un software di analisi dell&#39;immagine come immagine J (freeware). </li></ol> 2. Film di montaggio: ditiolo-linked Assemblea Film MPC per Elettrochimica proteine ​​monostrato Il substrato d&#39;oro è il primo elettrochimicamente pulita e modificata con un SAM C6 prima di immergere in alternanza soluzioni di ditiolo molecole di collegamento e PPM C6 modificato per renderlo un &quot;ciclo tuffo&quot;, che è ripetuto più volte a formare in definitiva un ditiolo-linked film di montaggio MPC . Come descritto in precedenti studi, 2 il plasmide originale per il Pseudomonas aeruginosa azurina (AZ) proteina è stata gentilmente data dal Dott. Corey Wilson della Rice University e AZ è stato fornito come polvere liofilizzata e purificata dalla University of Richmond professore, il dottor Jonathan Dattelbaum, che è stata successivamente reidratato con 4,4 mM tampone fosfato di potassio (KPB, pH = 7.0, μ = 10 mm) per creare una soluzione di 5-10 mM, come verificato dai raggi ultravioletti analisi visibile (UV-Vis). <ol><li> Assemblare la (ECHEM) delle cellule elettrochimiche panino nel seguente ordine dal basso verso l&#39;alto: il primo piatto fermo Lucite, substrato di oro come un elettrodo di lavoro, il contatto elettrico in ottone a elettrodo d&#39;oro di lavoro, in primo luogo guarnizione in gomma, Viton o-ring che definisce la superficie degli elettrodi (0,32 cm 2), corpo in vetro cellulare, guarnizione in gomma secondo, e il secondo piatto fermo Lucite. L&#39;intera cella è tenuto insieme da barre filettate e accuratamente serrati galletti. La cella è dotata di un elettrodo di riferimento acquistabile sul mercato che ospita una botte di vetro con 1 M KCl saturo, Ag / AgCl filo di riferimento, e un ausiliario filo elettrodo Pt. </li><li> Elettrochimicamente ° pulitae substrato di oro eseguendo voltammetria ciclica (CV) nelle finestre potenziale 0,2-0,9 V, da 0,2 a 1,2 V e 0,2-1,35 V (vs Ag / AgCl, KCl) a 100 mV / s in una soluzione di 0,1 MH 2 SO 4 e 0,01 M KCl. </li><li> Misurare la corrente di carica del substrato pulito oro nudo eseguendo CV a &quot;condizioni standard&quot;, tra cui una finestra potenziale 0,1-0,4 V (vs Ag / AgCl, KCl) scansionato a 100 mV / s in KPB 1. KPB Scarta e risciacquare successivamente con UP H 2 O, etanolo (EtOH), UP H 2 O, e EtOH. </li><li> Esporre il substrato di oro pulito a ~ 300 ml di soluzione al 5 C6 mM in EtOH e lasciar riposare tutta la notte per formare un ordinato C6 SAM. Scartare la soluzione C6 dalla cella e risciacquare successivamente con EtOH, UP H 2 O, EtOH, e UP H 2 O. </li><li> Misurare la corrente di carica del SAM a condizioni standard. Gettare KPB e risciacquare successivamente con UP H 2 O, EtOH, UP H 2 O, e EtOH. La corrente di carica dovrebbe essere notevolmente diminuito da quello della misurazione oro nudo (passo 2.3) 1. </li><li> Esporre l&#39;oro SAM modificato substrato ~ 300 ml di 5 mM 1,9-nonanedithiol (NDT) una soluzione EtOH e lasciare riposare per 1 ora a interdisperse NDT che collega le molecole all&#39;interno del SAM C6. Scartare la soluzione NDT e risciacquare abbondantemente e successivamente con EtOH, UP H 2 O, EtOH, UP H 2 O, e il cloruro di metilene (CH 2 Cl 2). </li><li> Esporre il substrato di oro ad una soluzione PPM di CH 2 Cl 2 (~ 1 mg / mL) con agitazione lentamente spumeggiante con N 2 gas per 1 ora. Se necessario, sostituire evaporato soluzione MPC con più CH 2 Cl 2. Questo è lo strato di ancoraggio PPM dell&#39;assemblea film. Scartare la soluzione MPC e di nuovo lavare successivamente con CH 2 Cl 2, UP H 2 O, e KPB. </li><li> Misurare la corrente di carica dello strato di MPC a condizioni standard. Gettare KPB e risciacquare successivamente con UP H 2 O e CH 2 Cl 2. </li><li> Esporre il substrato di oro a ~ 300 ml di soluzione al 5 NDT mM di CH 2 Cl 2 con agitazione lentamente spumeggiante con N 2 gas per 20 min. </li><li> Gettare NDT e risciacquare abbondantemente con CH 2 Cl 2. Ripetere i passi 2.7 e 2.8 per depositare il secondo strato MPC dell&#39;assemblea film. </li><li> Per depositare ulteriori strati MPC, passi 2.9 e 2.10 si ripetono. Con ogni ulteriore livello MPC un corrispondente aumento della corrente di carica è osservato. </li><li> Dopo il film in rete MPC è completa, risciacquare il substrato pellicola modificato con KPB. AZ proteina è adsorbita sul montaggio cinematografico MPC, iniettando circa 150 ml di soluzione di 5-10 mM AZ ~ di KPB nella cella panino ECHEM e consentendo di sedersi innevate e refrigerati per almeno 1 ora. </li><li> Rimuovere la cella ECHEM dal frigorifero e lasciarlo ritornare a temperatura ambiente vicino. Sciacquare accuratamente con KPB, ricarica cellulare ECHEM con KPB, e bolla KPB con N 2 gas per 10 min. </li><li> Proteine ​​monostrato studi elettrochimici sono eseguiti come CV nella finestra di potenziali -0,25 V a 0,25 V (contro Ag / AgCl, KCl) scansionato a 100 mV / sec in KPB. </li></ol> 3. Film di montaggio: ditiolo-linked Assemblea Film MPC per il tracciamento ottico Prima di crescente film MPC per la valutazione ottica, le sezioni vetrino sono pre-lavati con soluzione Piranha (ATTENZIONE! 02:01 concentrato H 2 SO 4 e H 2 O 2) e trattati con (3-mercaptopropyl)-trimetossisilano (3-MPTMS ). 1-2 film MPC vengono poi montate su queste diapositive di vetro modificato con la tecnica del &quot;dip ciclo&quot; come già descritto sopra. <ol><li> Sciacquare un 3-MPTMS vetrino modificato con CH 2 Cl 2 e mettetelo in una soluzione PPM di CH 2 Cl 2 (~ 1 mg / ml) per 1 ora mentre agita su un agitatore a bassa velocità. Questo completa il primo strato MPC dell&#39;assemblea film di ancoraggio PPM al endgroups mercaptani del silano. Sciacquare il vetrino accuratamente con CH 2 Cl 2, e asciugare con N 2 gas. Prendete un spettro UV-Vis (da 400 a 1000 nm) della diapositiva, e sciacquare ancora con CH 2 Cl 2. </li><li> Mettere il vetrino in una soluzione NDT 5 mm di CH 2 Cl 2 per 1 ora mentre agita su un agitatore a bassa velocità. Sciacquare il vetrino con CH 2 Cl 2. </li><li> Mettere il vetrino in una soluzione PPM per 1 ora mentre agita su un agitatore a bassa velocità. Questo completa il secondo strato MPC dell&#39;assemblea film. Sciacquare il vetrino accuratamente con CH 2 Cl 2, secca con N 2 gas, e prendere un spettro UV-Vis (da 400 a 1000 nm) della diapositiva. L&#39;assorbanza per tutta la gamma dovrebbe essere in aumento, ulteriori strati di MPC sono assorbiti per il montaggio del film. </li><li> Per depositare ulteriori strati MPC, steps 3,2-3,3 si ripetono. </li></ol> 4. Caratterizzazione di monostrato Protetta Oro Assemblee Film cluster da Croce sezionali Transmission Electron Microscopy TEM sezioni sono preparati da riaggregazione faccia en film incorporato. 2, 12 Questo viene fatto per prima cosa attaccare un film MPC montato su una 3-MPTMS vetrino modificato su un panno microscopio standard di diapositive usando Incorpora 812 resina epossidica per consentire migliorata la gestione durante la procedura di seguito. Prestare attenzione con il calore applicato come temperature più elevate si decompone PPM all&#39;interno del film. <ol><li> Mix Incorpora 812 resina epossidica e lasciare addensare per almeno 12 ore. </li><li> Riempire una capsula &quot;00&quot; Beem con resina epossidica e capovolgere in cima alla pellicola campione MPC (preparata nella sezione 3). Mettere pressione sulla capsula in modo che una bolla sorge in cima alla capsula, creando una guarnizione tra la resina epossidica e campione pellicola MPC. Lasciare polimerizzare per almeno 18 ore a 60 ° C e poi raffreddare le diapositive montate a temperatura ambiente. </li><li> Calore diapositive montate per 20 sec su una piastra in alluminio caldo a 200 ° C per facilitare la rimozione del blocco con allegata faccia pellicola MPC it. </li><li> Tagliare il campione contenente il film fuori del blocco capsula Beem utilizzando visto un gioielliere. </li><li> Incorporare nuovamente la parte rimossa in uno stampo in silicone piatto con il lato pellicola MPC fino rivolto verso l&#39;interno del silicio bene. Riempire il silicio e con resina epossidica a temperatura ambiente e lasciare polimerizzare per almeno 18 ore a 60 ° C. Raffreddare il campione a temperatura ambiente. </li><li> Ottenere sezioni sottili campione di 60-80 nm su un UCT Leica ultramicrotomo utilizzando un coltello di diamante per tagliare sezioni perpendicolare al bordo del coltello. </li><li> Luogo fette sezioni su formvar / sostegno al cinema di carbonio sulla griglia di rame (400 mesh) e prendere le immagini TEM di preparato sezioni di assemblee pellicola MPC. </li></ol> 5. Rappresentante dei risultati: <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/3441/3441fig1.jpg" /> Figura 1 Doppio strato di carica monitoraggio attuale di crescita pellicola MPC per un totale di 5 cicli di immersione (alternando l&#39;esposizione al MPC e soluzioni NDT). Corrente di carica aumentato sistematicamente con ogni ciclo di immersione, aggiungendo &quot;strati&quot; del MPC al film (Fig. 2). Il voltammograms ciclica sono stati raccolti utilizzando una finestra potenziale 0,1-0,4 V (contro Ag / AgCl, KCl) scansionato a 100 mV / s in 4,4 mM tampone fosfato di potassio (pH = 7.0, μ = 10 mm). Ristampato con il permesso di ML Vargo, Gulka CP, JK Gerig, CM Manieri, JD Dattelbaum, CB Marks, NT Lorenzo, ML Trawick, e MC Leopold, Langmuir 26 (1), 560-569. Copyright 2010 American Chemical Society. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/3441/3441fig2.jpg" /> Figura 2 (a) Rappresentazione schematica di proteine ​​AZ adsorbito ad un ditiolo-linked film di montaggio MPC. (B) voltammogram ciclico tipico per AZ assorbiti da MPC film di montaggio raccolti utilizzando una finestra potenziale da -0,25 a 0,25 V (vs Ag / AgCl, KCl) scansionato a 100 mV / s in 4,4 mM tampone fosfato di potassio (pH = 7.0, μ = 10 mm). <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/3441/3441fig3.jpg" /> Figura 3 Rappresentante UV-Vis monitoraggio spettrale di una ditiolo-linked crescita del film MPC in un 3-MPTMS vetrino modificato. Un ciclo è costituito da un tuffo esposizione del vetrino di NDT soluzione linker seguito un&#39;esposizione alla soluzione MPC. Ogni tuffo risultati successivi in ​​crescita dello spessore del film e un aumento di assorbanza concorrente. Poiché il numero di cicli di immersione aumenta, la band plasmone di superficie è gradualmente definita a ~ 520 nm. Ristampato con il permesso di ML Vargo, Gulka CP, JK Gerig, CM Manieri, JD Dattelbaum, CB Marks, NT Lorenzo, ML Trawick, e MC Leopold, Langmuir 26 (1), 560-569. Copyright 2010 American Chemical Society. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/3441/3441fig4.jpg" /> Figura 4 microscopia elettronica a trasmissione (TEM) della sezione trasversale di analisi delle immagini di un ditiolo-linked film di montaggio MPC. Inset: immagine TEM tipici di hexanethiolate PPM funzionalizzati utilizzate per l&#39;assemblaggio film. Analisi TEM determinato una media diametro del nucleo d&#39;oro dei PPM da ~ 2 nm con J analisi delle immagini. Ristampato con il permesso di ML Vargo, Gulka CP, JK Gerig, CM Manieri, JD Dattelbaum, CB Marks, NT Lorenzo, ML Trawick, e MC Leopold, Langmuir 26 (1), 560-569. Copyright 2010 American Chemical Society.

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Nessun conflitto di interessi dichiarati.

Monostrato elettrochimica proteina è una tecnica efficace utilizzata per studiare le interazioni tra proteine ​​redox e sintetiche piattaforme di adsorbimento. L&#39;efficacia di questa strategia, tuttavia, dipende dalla capacità di progettare un&#39;interfaccia adsorbimento con un alto grado di controllo a livello molecolare. Il MPC piattaforme basate su creato da questo protocollo rappresenta piattaforme specificamente progettate che sono in grado di offrire un ambiente più omogenea delle proteine ​​3<...

<table border="1"><tr><th> Nome del reagente e </th><th> Azienda </th><th> Numero di catalogo </th></tr><tr><td> Tetraoctylammonium bromuro </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 294136 </td></tr><tr><td> Sodio boroidruro </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 213462 </td></tr><tr><td> Idrogeno tetrachloroaurate </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 254169-5G </td></tr><tr><td> 1-Hexanethiol </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 234192 </td></tr><tr><td> Transmission Electron Microscope </td><td> JEOL </td><td> 1010 </td></tr><tr><td> Spettrometro Risonanza Magnetica Nucleare </td><td> Bruker Avance </td><td> 300 MHz </td></tr><tr><td> Formvar / carbonio film di sostegno sulla griglia di rame (400 mesh) </td><td> Electron Microscopy Sciences </td><td> FCF400-Cu </td></tr><tr><td> Substrato di oro </td><td> Evaporato in metallo Film Corp. </td><td> Costume </td></tr><tr><td> Ag / AgCl Elettrodo di riferimento </td><td> Microelettrodi, Inc. </td><td> MI-401F </td></tr><tr><td> Potenziostati </td><td> CH Instruments, Inc. </td><td> CHI650A, CHI610B </td></tr><tr><td> 1,9-Nonanedithiol </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> N29805 </td></tr><tr><td> (3-mercaptopropyl)-trimetossisilano </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 175617 </td></tr><tr><td> Spettrofotometro ultravioletto visibile </td><td> Agilent </td><td> 8453 </td></tr><tr><td> Incorpora 812 resina epossidica </td><td> Electron Microscopy Sciences </td><td> 14120 </td></tr><tr><td> &quot;00&quot; Beem capsula </td><td> Electron Microscopy Sciences </td><td> 70000-B </td></tr><tr><td> Silicon stampo piatto </td><td> Electron Microscopy Sciences </td><td> 70900 </td></tr><tr><td> Diamante coltello </td><td> Diatome </td><td> 21-ULE, S12801 </td></tr></table>

synthesis, assembly, and characterization of monolayer protected gold nanoparticle films for protein monolayer electrochemistry

Oro colloidale delle nanoparticelle protette con leganti alkanethiolate chiamato cluster d&#39;oro monostrato protette (MPC) sono sintetizzate e successivamente incorporata in assembly film che fungono da piattaforme adsorbimento per l&#39;elettrochimica di proteine ​​monostrato (PME). PME è utilizzato come sistema modello per lo studio delle proprietà elettrochimiche di proteine ​​redox mediante il loro confinamento una piattaforma di adsorbimento a un elettrodo modificato, che serve anche come partner redox di trasferimento elettronico (ET) reazioni. Studi hanno dimostrato che nanoparticelle d&#39;oro assemblee film di questo genere prevede un ambiente più omogeneo l&#39;assorbimento di proteine ​​e promuovere ET senza dipendenza distanza rispetto ai sistemi più tradizionali, modificati con alkanethiol monostrati auto-assemblati (SAM). 1-3 In questo lavoro, PPM funzionalizzati con leganti hexanethiolate sono sintetizzati utilizzando una reazione Brust modificato 4 e caratterizzato con spettroscopia UV visibile (UV-Vis), microscopia elettronica a trasmissione (TEM) e protone (1 H), risonanza magnetica nucleare (NMR). MPC film sono montati su oro interfacce elettrodo SAM modificato utilizzando un &quot;ciclo tuffo&quot; metodo di strati alternati MPC e ditiolo molecole di collegamento. Crescita del film a elettrodo d&#39;oro viene monitorato elettrochimicamente misurando i cambiamenti a doppio strato corrente di carica del sistema. Film analoghi montati su vetrini silano modificato per permettere il monitoraggio ottica di crescita di film e analisi trasversale TEM fornisce una stima dello spessore del film. Durante il montaggio cinematografico, la manipolazione della protezione ligando MPC così come il meccanismo di collegamento interparticellare consentire film in rete, che sono facilmente adattabili, per interfacciarsi con le proteine ​​redox aventi differenti meccanismi di adsorbimento. Per esempio, Pseudomonas aeruginosa azurina (AZ) può essere adsorbito idrofobicamente a ditiolo-linked film di PPM hexanethiolate e citocromo c (citocromo c) può essere immobilizzato elettrostaticamente ad un acido carbossilico modificato strato interfacciale MPC. In questo rapporto, ci concentriamo sul protocollo film per il sistema di AZ esclusivamente. Le indagini che coinvolgono l&#39;assorbimento di proteine ​​su MPC piattaforme modificato sintetico potrebbe ulteriormente la comprensione delle interazioni tra biomolecole e materiali artificiali, e di conseguenza favorire lo sviluppo di sistemi di biosensori, ET sistemi di modellazione e materiali sintetici biocompatibili. 5-8

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Synthesis, Assembly, and Characterization of Monolayer Protected Gold Nanoparticle Films for Protein Monolayer Electrochemistry

Colloidi d&#39;oro Alkanethiolate stabilizzata nota come cluster monostrato protetta (MPC) sono sintetizzati, caratterizzati e assemblati in film sottili come interfaccia per adsorbimento elettrochimica monostrato proteina di semplici proteine ​​redox come<em&gt; Pseudomonas aeruginosa</em&gt; Azurina (AZ) e citocromo<em&gt; C</em&gt; (Citocromo<em&gt; C</em&gt;).

Sintesi, assemblaggio e caratterizzazione di film monostrato Protetta delle nanoparticelle d&#39;oro per Elettrochimica proteine ​​monostrato

Colloidal gold nanoparticles protected with alkanethiolate ligands called monolayer protected gold clusters (MPCs) are synthesized and subsequently ...

synthesis-assembly-characterization-monolayer-protected-gold

Research

JoVE Journal

Bioengineering

14.4K Views.  University of Richmond. Colloidi d'oro Alkanethiolate stabilizzata nota come cluster monostrato protetta (MPC) sono sintetizzati, caratterizzati e assemblati in film sottili come interfaccia per adsorbimento elettrochimica monostrato proteina di semplici proteine ​​redox come Pseudomonas aeruginosa Azurina (AZ) e citocromo C (Citocromo C).

Video: Synthesis, Assembly, and Characterization of Monolayer Protected Gold Nanoparticle Films for Protein Monolayer Electrochemistry

Gold Nanostar Synthesis with a Silver Seed Mediated Growth Method

The physical, chemical and optical properties of nano-scale colloids depend on their material composition, size and shape 1-5. There is a great interest in using nano-colloids for photo-thermal ablation, drug delivery and many other biomedical applications 6. Gold is particularly used because of its low toxicity 7-9. A property of metal nano-colloids is that they can have a strong surface plasmon resonance 10. The peak of the surface plasmon resonance mode depends on the structure and composition of the metal nano-colloids. Since the surface plasmon resonance mode is stimulated with light there is a need to have the peak absorbance in the near infrared where biological tissue transmissivity is maximal 11, 12.
We present a method to synthesize star shaped colloidal gold, also known as star shaped nanoparticles 13-15 or nanostars 16. This method is based on a solution containing silver seeds that are used as the nucleating agent for anisotropic growth of gold colloids 17-22. Scanning electron microscopy (SEM) analysis of the resulting gold colloid showed that 70 % of the nanostructures were nanostars. The other 30 % of the particles were amorphous clusters of decahedra and rhomboids. The absorbance peak of the nanostars was detected to be in the near infrared (840 nm). Thus, our method produces gold nanostars suitable for biomedical applications, particularly for photo-thermal ablation.

We synthesized star shaped gold nanostars using a silver seed mediated growth method. The diameter of the nanostars ranges from 200 to 300 nm and the number of tips vary from 7 to 10. The nanoparticles have a broad surface plasmon resonance mode centered in the near infrared.

Sintesi Nanostar oro con un metodo d&#39;argento crescita Seed Mediated

The physical, chemical and optical properties of nano-scale colloids depend on their material composition, size and shape 1-5. There is a great interest ...

Ricerca

Bioingegneria

Low Molecular Weight Protein Enrichment on Mesoporous Silica Thin Films for Biomarker Discovery

The identification of circulating biomarkers holds great potential for non invasive approaches in early diagnosis and prognosis, as well as for the monitoring of therapeutic efficiency.1-3 The circulating low molecular weight proteome (LMWP) composed of small proteins shed from tissues and cells or peptide fragments derived from the proteolytic degradation of larger proteins, has been associated with the pathological condition in patients and likely reflects the state of disease.4,5 Despite these potential clinical applications, the use of Mass Spectrometry (MS) to profile the LMWP from biological fluids has proven to be very challenging due to the large dynamic range of protein and peptide concentrations in serum.6 Without sample pre-treatment, some of the more highly abundant proteins obscure the detection of low-abundance species in serum/plasma. Current proteomic-based approaches, such as two-dimensional polyacrylamide gel-electrophoresis (2D-PAGE) and shotgun proteomics methods are labor-intensive, low throughput and offer limited suitability for clinical applications.7-9 Therefore, a more effective strategy is needed to isolate LMWP from blood and allow the high throughput screening of clinical samples. 
Here, we present a fast, efficient and reliable multi-fractionation system based on mesoporous silica chips to specifically target and enrich LMWP.10,11 Mesoporous silica (MPS) thin films with tunable features at the nanoscale were fabricated using the triblock copolymer template pathway. Using different polymer templates and polymer concentrations in the precursor solution, various pore size distributions, pore structures, connectivity and surface properties were determined and applied for selective recovery of low mass proteins. The selective parsing of the enriched peptides into different subclasses according to their physicochemical properties will enhance the efficiency of recovery and detection of low abundance species. In combination with mass spectrometry and statistic analysis, we demonstrated the correlation between the nanophase characteristics of the mesoporous silica thin films and the specificity and efficacy of low mass proteome harvesting. The results presented herein reveal the potential of the nanotechnology-based technology to provide a powerful alternative to conventional methods for LMWP harvesting from complex biological fluids. Because of the ability to tune the material properties, the capability for low-cost production, the simplicity and rapidity of sample collection, and the greatly reduced sample requirements for analysis, this novel nanotechnology will substantially impact the field of proteomic biomarker research and clinical proteomic assessment.

We developed a technology based on mesoporous silica thin film for the selective recovery of low molecular weight proteins and peptides from human serum. The physico-chemical properties of our mesoporous chips were finely tuned to provide substantial control in peptide enrichment and consequently profile the serum proteome for diagnostic purposes.

Basso Peso Molecolare proteina di arricchimento sul film sottili di silice mesoporosi per la scoperta di biomarcatori

The identification of circulating biomarkers holds great potential for non invasive approaches in early diagnosis and prognosis, as well as for the ...

Combinatorial Synthesis of and High-throughput Protein Release from Polymer Film and Nanoparticle Libraries

Polyanhydrides are a class of biomaterials with excellent biocompatibility and drug delivery capabilities. While they have been studied extensively with conventional one-sample-at-a-time synthesis techniques, a more recent high-throughput approach has been developed enabling the synthesis and testing of large libraries of polyanhydrides1. This will facilitate more efficient optimization and design process of these biomaterials for drug and vaccine delivery applications. The method in this work describes the combinatorial synthesis of biodegradable polyanhydride film and nanoparticle libraries and the high-throughput detection of protein release from these libraries. In this robotically operated method (Figure 1), linear actuators and syringe pumps are controlled by LabVIEW, which enables a hands-free automated protocol, eliminating user error. Furthermore, this method enables the rapid fabrication of micro-scale polymer libraries, reducing the batch size while resulting in the creation of multivariant polymer systems. This combinatorial approach to polymer synthesis facilitates the synthesis of up to 15 different polymers in an equivalent amount of time it would take to synthesize one polymer conventionally. In addition, the combinatorial polymer library can be fabricated into blank or protein-loaded geometries including films or nanoparticles upon dissolution of the polymer library in a solvent and precipitation into a non-solvent (for nanoparticles) or by vacuum drying (for films). Upon loading a fluorochrome-conjugated protein into the polymer libraries, protein release kinetics can be assessed at high-throughput using a fluorescence-based detection method (Figures 2 and 3) as described previously1. This combinatorial platform has been validated with conventional methods2 and the polyanhydride film and nanoparticle libraries have been characterized with 1H NMR and FTIR. The libraries have been screened for protein release kinetics, stability and antigenicity; in vitro cellular toxicity, cytokine production, surface marker expression, adhesion, proliferation and differentiation; and in vivo biodistribution and mucoadhesion1-11. The combinatorial method developed herein enables high-throughput polymer synthesis and fabrication of protein-loaded nanoparticle and film libraries, which can, in turn, be screened in vitro and in vivo for optimization of biomaterial performance.

This method describes the combinatorial synthesis of biodegradable polyanhydride film and nanoparticle libraries and the high-throughput detection of protein release from these libraries.

Sintesi combinatoria di e High-throughput di rilascio di proteine ​​da film polimerico e Biblioteche nanoparticelle

Polyanhydrides are a class of biomaterials with excellent biocompatibility and drug delivery capabilities. While they have been studied extensively with ...

Synthesis of an Intein-mediated Artificial Protein Hydrogel

We present the synthesis of a highly stable protein hydrogel mediated by a split-intein-catalyzed protein trans-splicing reaction. The building blocks of this hydrogel are two protein block-copolymers each containing a subunit of a trimeric protein that serves as a crosslinker and one half of a split intein. A highly hydrophilic random coil is inserted into one of the block-copolymers for water retention. Mixing of the two protein block copolymers triggers an intein trans-splicing reaction, yielding a polypeptide unit with crosslinkers at either end that rapidly self-assembles into a hydrogel. This hydrogel is very stable under both acidic and basic conditions, at temperatures up to 50 &#176;C, and in organic solvents. The hydrogel rapidly reforms after shear-induced rupture. Incorporation of a &#34;docking station peptide&#34; into the hydrogel building block enables convenient incorporation of &#34;docking protein&#34;-tagged target proteins. The hydrogel is compatible with tissue culture growth media, supports the diffusion of 20 kDa molecules, and enables the immobilization of bioactive globular proteins. The application of the intein-mediated protein hydrogel as an organic-solvent-compatible biocatalyst was demonstrated by encapsulating the horseradish peroxidase enzyme and corroborating its activity.

We present the synthesis of a split-intein-mediated protein hydrogel. The building blocks of this hydrogel are two protein copolymers each containing a subunit of a trimeric protein that serves as a crosslinker and one half of a split intein. Mixing of the two protein copolymers triggers an intein trans-splicing reaction, yielding a polypeptide unit that self-assembles into a hydrogel. This hydrogel is highly pH- and temperature-stable, compatible with organic solvents, and easily incorporates functional globular proteins.

Sintesi di una proteina artificiale mediata da inteina Hydrogel

We present the synthesis of a highly stable protein hydrogel mediated by a split-intein-catalyzed protein trans-splicing reaction. The building blocks of ...

Fluorescence Recovery after Merging a Droplet to Measure the Two-dimensional Diffusion of a Phospholipid Monolayer

We introduce a new method to measure the lateral diffusivity of a surfactant monolayer at the fluid-fluid interface, called fluorescence recovery after merging (FRAM). FRAM adopts the same principles as the fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) technique, especially for measuring fluorescence recovery after bleaching a specific area, but FRAM uses a drop coalescence instead of photobleaching dye molecules to induce a chemical potential gradient of dye molecules. Our technique has several advantages over FRAP: it only requires a fluorescence microscope rather than a confocal microscope equipped with high power lasers; it is essentially free from the selection of fluorescence dyes; and it has far more freedom to define the measured diffusion area. Furthermore, FRAM potentially provides a route for studying the mixing or inter-diffusion of two different surfactants, when the monolayers at a surface of droplet and at a flat air/water interface are prepared with different species, independently.

We present a new technique to measure the lateral diffusion of a surface active species at the fluid-fluid interface by merging a droplet monolayer onto a flat monolayer.

Recupero della fluorescenza dopo Fusione di una Droplet misurare la diffusione bidimensionale di un fosfolipide monostrato

We introduce a new method to measure the lateral diffusivity of a surfactant monolayer at the fluid-fluid interface, called fluorescence recovery after ...

Synthesis of Gold Nanoparticle Integrated Photo-responsive Liposomes and Measurement of Their Microbubble Cavitation upon Pulse Laser Excitation

Photo-responsive nanoparticles (NPs) have received considerable attention because of their potential in providing spatial, temporal, and dosage control over the drug release. However, most of the relevant technologies are still in the development process and are unprocurable by clinics. Here, we describe a facile fabrication of these photo-responsive NPs with commercially available gold NPs and thermo-responsive liposomes. Calcein is used as a model drug to evaluate the encapsulation efficiency and the release kinetic profile upon heat/light stimulation. Finally, we show that this photo-triggered release is due to the membrane disruption caused by microbubble cavitation, which can be measured with hydrophone.

This protocol describes a simple preparation method for gold nanoparticle integrated photo-responsive liposomes with the commercially available materials. It also shows how to measure the microbubble cavitation process of the synthesized liposomes upon the treatment of pulsed laser.

Sintesi di nanoparticelle d&#39;oro liposomi Integrated Photo-reattiva e la misurazione del loro microbolle cavitazione su impulso laser di eccitazione

Photo-responsive nanoparticles (NPs) have received considerable attention because of their potential in providing spatial, temporal, and dosage control ...

Micropatterning and Assembly of 3D Microvessels

In vitro platforms to study endothelial cells and vascular biology are largely limited to 2D endothelial cell culture, flow chambers with polymer or glass based substrates, and hydrogel-based tube formation assays. These assays, while informative, do not recapitulate lumen geometry, proper extracellular matrix, and multi-cellular proximity, which play key roles in modulating vascular function. This manuscript describes an injection molding method to generate engineered vessels with diameters on the order of 100 &#181;m. Microvessels are fabricated by seeding endothelial cells in a microfluidic channel embedded within a native type I collagen hydrogel. By incorporating parenchymal cells within the collagen matrix prior to channel formation, specific tissue microenvironments can be modeled and studied. Additional modulations of hydrodynamic properties and media composition allow for control of complex vascular function within the desired microenvironment. This platform allows for the study of perivascular cell recruitment, blood-endothelium interactions, flow response, and tissue-microvascular interactions. Engineered microvessels offer the ability to isolate the influence from individual components of a vascular niche and precisely control its chemical, mechanical, and biological properties to study vascular biology in both health and disease.

This manuscript presents an injection molding method to engineer microvessels that recapitulate physiological properties of endothelium. The microfluidic-based process creates patent 3D vascular networks with tailorable conditions, such as flow, cellular composition, geometry, and biochemical gradients. The fabrication process and examples of potential applications are described.

Micropatterning e montaggio dei microvasi 3D

In vitro platforms to study endothelial cells and vascular biology are largely limited to 2D endothelial cell culture, flow chambers with polymer or glass ...

Synthesis of Cationized Magnetoferritin for Ultra-fast Magnetization of Cells

Many important biomedical applications, such as cell imaging and remote manipulation, can be achieved by labeling cells with superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs). Achieving sufficient cellular uptake of SPIONs is a challenge that has traditionally been met by exposing cells to elevated concentrations of SPIONs or by prolonging exposure times (up to 72 hr). However, these strategies are likely to mediate toxicity. Here, we present the synthesis of the protein-based SPION magnetoferritin as well as a facile surface functionalization protocol that enables rapid cell magnetization using low exposure concentrations. The SPION core of magnetoferritin consists of cobalt-doped iron oxide with an average particle diameter of 8.2 nm mineralized inside the cavity of horse spleen apo-ferritin. Chemical cationization of magnetoferritin produced a novel, highly membrane-active SPION that magnetized human mesenchymal stem cells (hMSCs) using incubation times as short as one minute and iron concentrations as lows as 0.2 mM.

A protocol for the synthesis and cationization of cobalt-doped magnetoferritin is presented, as well as a method to rapidly magnetize stem cells with cationized magnetoferritin.

Sintesi di cationizzata Magnetoferritin per la magnetizzazione ultra-veloce di celle

Many important biomedical applications, such as cell imaging and remote manipulation, can be achieved by labeling cells with superparamagnetic iron oxide ...

Synthesis of Functionalized 10-nm Polymer-coated Gold Particles for Endothelium Targeting and Drug Delivery

Gold nanoparticles (AuNPs) have been used extensively in medical research due to their size, biocompatibility, and modifiable surface. Specific targeting and drug delivery are some of the applications of these AuNPs, but endothelial extracellular matrices&#39; defensive properties hamper particle uptake. To address this issue, we describe a synthesis method for ultrasmall gold nanoparticles to improve vascular delivery, with customizable functional groups and polymer lengths for further adjustments. The protocol yields 2.5 nm AuNPs that are capped with tetrakis(hydroxymethyl)phosphonium chloride (THPC). The replacement of THPC with hetero-functional polyethylene glycol (PEG) on the surface of the AuNP increases the hydrodynamic radius to 10.5 nm while providing various functional groups on the surface. The last part of the protocol includes an optional addition of a fluorophore to allow the AuNPs to be visualized under fluorescence to track nanoparticle uptake. Dialysis and lyophilization were used to purify and isolate the AuNPs. These fluorescent nanoparticles can be visualized in both in vitro and in vivo experiments due to the biocompatible PEG coating and fluorescent probes. Additionally, the size range of these nanoparticles render them an ideal candidate for probing the glycocalyx without disrupting normal vasculature function, which may lead to improved delivery and therapeutics.

We describe a method of synthesizing biocompatible 10-nm gold nanoparticles, functionalized by coating poly-ethylene glycol onto the surface. These particles can be used in vitro and in vivo for delivering therapeutics to nanoscale cellular and extracellular spaces that are difficult to access with conventional nanoparticle sizes.

Sintesi di particelle d'oro rivestite di polimeri 10-nm funzionalizzate per il Targeting di endotelio e Drug Delivery

Gold nanoparticles (AuNPs) have been used extensively in medical research due to their size, biocompatibility, and modifiable surface. Specific targeting ...

Assembly and Characterization of Biomolecular Memristors Consisting of Ion Channel-doped Lipid Membranes

The ability to recreate synaptic functionalities in synthetic circuit elements is essential for neuromorphic computing systems that seek to emulate the cognitive powers of the brain with comparable efficiency and density. To date, silicon-based three-terminal transistors and two-terminal memristors have been widely used in neuromorphic circuits, in large part due to their ability to co-locate information processing and memory. Yet these devices cannot achieve the interconnectivity and complexity of the brain because they are power-hungry, fail to mimic key synaptic functionalities, and suffer from high noise and high switching voltages. To overcome these limitations, we have developed and characterized a biomolecular memristor that mimics the composition, structure, and switching characteristics of biological synapses. Here, we describe the process of assembling and characterizing biomolecular memristors consisting of a 5 nm-thick lipid bilayer formed between lipid-functionalized water droplets in oil and doped with voltage-activated alamethicin peptides. While similar assembly protocols have been used to investigate biophysical properties of droplet-supported lipid membranes and membrane-bound ion channels, this article focuses on key modifications of the droplet interface bilayer method essential for achieving consistent memristor performance. Specifically, we describe the liposome preparation process and the incorporation of alamethicin peptides in lipid bilayer membranes, and the appropriate concentrations of each constituent as well as their impact on the overall response of the memristors. We also detail the characterization process of biomolecular memristors, including measurement and analysis of memristive current-voltage relationships obtained via cyclic voltammetry, as well as short-term plasticity and learning in response to step-wise voltage pulse trains.

Soft, low-power, biomolecular memristors leverage similar composition, structure, and switching mechanisms of bio-synapses. Presented here is a protocol to assemble and characterize biomolecular memristors obtained from insulating lipid bilayers formed between water droplets in oil. The incorporation of voltage-activated alamethicin peptides results in memristive ionic conductance across the membrane.

Assemblaggio e caratterizzazione biomolecolare Memristors costituito da membrane lipidiche drogato con scanalatura dello ione

The ability to recreate synaptic functionalities in synthetic circuit elements is essential for neuromorphic computing systems that seek to emulate the ...

Sintesi, assemblaggio e caratterizzazione di film monostrato Protetta delle nanoparticelle d'oro per Elettrochimica proteine ​​monostrato

Sintesi, assemblaggio e caratterizzazione di film monostrato Protetta delle nanoparticelle d'oro per Elettrochimica proteine monostrato