Fabricação de nanocristais micélica esférico e em forma de verme, combinando Electrospray, auto-montagem e controle de estrutura de base solvente

Resumo

O presente trabalho descreve um método para fabricar micélica nanocristais, uma classe emergente grande de nanobiomaterials. Este método combina electrospray de cima para baixo, de baixo para cima, auto-montagem e controle de estrutura de base solvente. O método de fabricação é em grande parte contínuo, podemos produzir produtos de alta qualidade e possui um meio barato de controle de estrutura.

Resumo

Nanocristais micellar (micelas com nanocristais encapsulado) tornaram-se uma classe emergente grande de nanobiomaterials. Nós descrevemos um método de fabricar micélica nanocristais baseado na combinação de auto-montagem electrospray de cima para baixo, de baixo para cima e controle de estrutura de base solvente. Este método envolve primeiro usando electrospray para gerar gotículas ultrafinas uniformes, cada uma delas funciona como um microreator no qual auto-montagem reação ocorre formando nanocristais micélica, com as estruturas (forma micelle e nanocrystal encapsulamento) controlado pelo solvente orgânico usado. Este método é em grande medida contínuo e produz produtos de alta qualidade nanocrystal micellar com uma abordagem de controle de estrutura de baixo custo. Usando um miscível com água orgânico solvente tetrahidrofurano (THF), em forma de verme micélica nanocristais podem ser produzidos devido à fusão micelle solvente-induzido/facilitado. Em comparação com os nanocristais de micélica comum esférica, em forma de verme micélica nanocristais podem oferecer minimizada específico de captação celular, aumentando assim o alvo biológico. Encapsulando co nanocristais múltiplos em cada micelle, efeitos sinérgicos ou multifuncionais podem ser alcançados. Limitações atuais desse método de fabricação, que será parte do trabalho futuro, principalmente incluem encapsulamento imperfeito no produto nanocrystal micellar e a natureza incompleta contínua do processo.

Introdução

Nanocristais como pontos quânticos de semicondutores (QDs) e nanopartículas de óxido de ferro superparamagnético (SPIONs) têm demonstrado grande potencial biológico deteção, imagem, manipulação e terapia^{1,2, 3,4,5,6}. Encapsulando nanocristais de um ou mais em uma micela tem sido um método amplamente usado para interface nanocristais com ambientes biológicos^3,6. Os nanocristais micélica assim formado (micelas com nanocristais encapsulado) tornaram-se uma classe emergente de nanobiomaterials^7,8,9,10. Métodos comumente usados para fabricar micelas que encapsulam vários materiais (por exemplo, nanocristais, pequena molécula drogas e corantes) incluem hidratação filme, diálise e vários outros^7,11.

O presente trabalho descreve um método de fabricar micélica nanocristais baseado na combinação de auto-montagem electrospray de cima para baixo, de baixo para cima e controle estrutural mediada por solvente. Em comparação com outros métodos de fabricação de nanocristais micélica, nosso método oferece vários recursos benéficos: (1) é um processo de produção em grande parte contínua. Esse recurso é principalmente devido ao fato de que electrospray é usado em nosso método para formar gotículas de emulsão. Em contraste, alguns outros métodos usam num Vortex ou sonication para formar as gotas da emulsão, tornando estes processos em lote de métodos na natureza¹². (2) resulta em produtos com capacidade de dispersão de água elevado, excelente estabilidade coloidal e intactas funções físicas dos nanocristais encapsulado. Este processo pode muitas vezes dar produtos com qualidade superior em comparação com outros métodos de encapsulamento micelle, em grande medida porque electrospray pode formar gotículas de emulsão ultrafino e uniforme. (3) as estruturas dos produtos, incluindo micelle forma e número de nanocristais encapsulada, podem ser controladas pelo solvente, que é muito mais barato comparado com outras formas de controle como alterar os polímeros anfifílica usados e podem produzir Não só a forma comumente disponíveis micelle esférica mas forma tipo worm micelle através de de fusão micelle¹³. Os assim formado em forma de verme micélica nanocristais são encontrados oferecer grandemente reduzida absorção celular de específico do que as contrapartes esférico¹³. Por outro lado, Vale salientar que este método requer a instalação de um dispositivo de electrospray, que é um pouco mais tecnicamente exigente (embora longe de ser proibitivo) do que a necessidade de instrumentação em outros métodos.

O método de fabricação envolve primeiro gerando ultrafinas gotículas (emulsão óleo-em-água muitas vezes), com tamanhos uniformes por electrospray, seguido por evaporação de solvente orgânico, resultando em self-assembly para formar micélica nanocristais (Figura 1 ). A configuração de electrospray tem uma configuração coaxial usando agulhas concêntricas: a fase de óleo, que contém anfifílica copolímeros de bloco e hidrofóbicas nanocristais dissolvida em solvente orgânico, é entregue para a agulha interna (capilar de aço inoxidável de 27 G ) com uma bomba de seringa; a fase de água, que contém um tensoativo dissolvido na água, é entregue a agulha externa (conector de três vias em aço inoxidável 20 G) com uma segunda bomba de seringa. Uma alta tensão é aplicada ao bocal do coaxial. Ultrafinas gotas com tamanhos uniformes são geradas devido a tensão de superfície superação força eletrodinâmica e stress inercial no líquido. Cada gotícula funciona essencialmente como um "microreator ', em que, após a remoção do solvente orgânico por evaporação, a auto-montagem 'reação' ocorre espontaneamente devido a interações hidrofóbicas. Usar diferentes solventes orgânicos leva a diferentes estruturas de nanocristais micélica: um imiscíveis água clorofórmio solvente orgânico leva a forma esférica micelle, enquanto um solvente orgânico miscível com água, THF com um tempo de reação conduz ao tipo worm forma de micelle juntamente com encapsulamento de nanocrystal reforçada.

Protocolo

Atenção: Devido ao uso de solventes orgânicos, todas as operações devem ser feitas em uma coifa de química. Devido ao uso de alta tensão elétrica, evite o contacto físico com o aparelho quando a fonte de alimentação está ligado. Use todas as práticas de segurança apropriados, como o uso de equipamentos de proteção individual (óculos de segurança, luvas, jaleco, calças completos e sapatos fechados). Consulte todas as fichas de dados de segurança relevantes (MSDS).

1. instalação de materiais

1. Para preparar a solução QD, dissolver 10 mg QDs hidrofóbicos (comprimento de onda de pico de emissão fluorescente = 605 nm, usado como o modelo nanocristais aqui) em solvente orgânico de 20 mL (clorofórmio para produzir a forma esférica micelle ou THF para produzir a forma do tipo worm micelle) e vórtex por 20 s.
2. Para preparar a solução de PS-PEG, dissolver 100 mg de PS-PEG (segmento de Copolímero em bloco anfifílica, com 9,5 kDA PS segmento e 18.0 kDA PEG) em solvente orgânico 10ml (clorofórmio para produzir a forma esférica micelle ou THF para produzir a forma do tipo worm micelle). Misture a solução vortexing para 1 min (clorofórmio) ou banho proceda à sonicação por 2 min (THF).
3. Misturar 1 mL de solução QD e 1 mL de solução de PS-PEG e vórtice de 1 min. Adicione a mistura de seringa A. A seringa é feita de PTFE.
4. Para preparar a solução PVA, dissolva 400 mg PVA (13-23 kDa, 87-89% hidrolisado) em 10 mL de água em um banho de água aquecida a 60 – 80 ° C para 4-5 h.. permitir a solução PVA arrefecer à temperatura ambiente antes do uso.
5. Adicionar 5 mL de solução PVA a seringa B. A seringa é feita de PTFE.

2. instalação do equipamento

1. Insira o conjunto capilar externo interno capilar e delicadamente o parafuso na posição. Não aperte demasiado. A Figura 2 mostra a configuração geral do sistema coaxial electrospray. A agulha interna capilar é um capilar de aço inoxidável de 27 G (diâmetro exterior 500 µm; diâmetro interno 300 µm), e a agulha exterior é um conector de três vias de aço inoxidável de 20g (diâmetro exterior 1.000 µm; 500 µm de diâmetro interno). O tubo de PTEE utilizado tem um diâmetro interno de 1,8 mm.
2. Carrega seringa A na bomba de seringa, como mostrado na Figura 2. Ligar A seringa para o capilar de aço inoxidável interno do bocal coaxial electrospray usando tubo de PTFE.
3. Carrega a seringa B na seringa da bomba B conforme mostrado na Figura 2. Conecte a seringa B para o capilar de aço inoxidável exterior do bocal coaxial electrospray usando tubo de PTFE.
4. Posição do bocal coaxial electrospray dica aproximadamente 0,8 cm acima de um anel de aço aterrado (diâmetro de 1,5 cm).
5. Lugar uma coleção de vidro prato aproximadamente 10 cm abaixo do bocal coaxial.
6. Com a alimentação desligada, conecte o fio terra (fio preto na Figura 2) para o anel de aço aterrado.
7. Com a alimentação desligada, conecte o terminal positivo (fio vermelho na Figura 2) da fonte de alimentação para a agulha interna do bocal coaxial usando um clipe de metal do jacaré.

3. produção de nanocristais micélica

1. Defina a velocidade da bomba de seringa A de 0,6 mL/h.
2. Defina a velocidade de B de bomba de seringa para 1,5 mL/h.
3. Começar as duas bombas de seringa e esperar por suas respectivas vazões estabilizar. Formando no bico a um ritmo constante de gotas indicam uma taxa de fluxo estável. Isso geralmente ocorre dentro de 60 s após a partida de bombas de seringa.
   Nota: Não deve haver nenhuma bolha na tubulação de e gotículas devem formar no bocal coaxial electrospray.
4. Ligue a fonte de alimentação para aplicar uma alta tensão positiva para o bocal de electrospray coaxial. Ajustar a tensão aplicada dentro do intervalo de 5 – 9 kV, até um côncavo cone-jato (ou seja, um jato convergente, comumente conhecido como um 'cone de Taylor') é observada na ponta do bico coaxial (conforme a inserção da Figura 3a).
   Atenção: Certifique-se de não tocar electrospray bocal quando alta voltagem é aplicada. Tome as precauções de segurança adequadas.
   Nota: Tensão aplicada insuficiente resultará em gotículas, formando a ponta do bico (conforme a inserção de Figura 3b), enquanto muito alto de tensão aplicada causará um arco elétrico entre o bico e o anel de aço aterrado.
5. Depois que obteve-se um cone de Taylor estável (Figura 3a), adicione 10 mL deionizada para um prato de coleção limpa e substituir o prato de coleção de vidro no setup. O novo prato irá recolher o produto de nanocrystal micellar.
6. Execute o processo de produção de nanocrystal micellar por um certo período de tempo (por aproximadamente 40 min para a produção de forma esférica micelle ou aproximadamente 90 min para produzir a forma do tipo worm micelle). Em seguida, retire o prato de coleção de debaixo do bocal de electrospray.
7. Parar a bomba de seringa A e B.
8. Desligue a fonte de alimentação de alta tensão.
9. Permitir que o solvente orgânico evaporar (em uma coifa) do prato coleção descobertos durante a noite.
   Nota: A julgar os resultados da caracterização dos produtos nanocrystal micélica, evaporação durante a noite é suficiente para remover o solvente orgânico para obter produtos com boa qualidade.
10. Finalmente, transferi o produto de nanocrystal micellar para um tubo de centrífuga de 15 mL para caracterização (por exemplo, espectroscopia fluorescente, espalhamento dinâmico de luz, microscopia eletrônica de transmissão e análise térmica), aplicativo ou armazenamento. Armazenar o produto final nanocrystal micélica no frigorífico a 4 ° C.
    Nota: O produto pode permanecer estável sob essa condição de armazenamento para pelo menos um mês.

Resultados

A Figura 1 mostra um esquema sumarizando o controle das estruturas (forma e encapsulamento) dos nanocristais micélica pelo solvente orgânico usado no processo de produção. Brevemente, diclorometano leva a micelas esféricas com nenhum encapsulamento de nanocristais; clorofórmio leva a micelas esféricas com um número baixo de encapsulamento de nanocristais; THF leva à micelas esféricas com um número elevado de encapsulamento de nanocristais em um cur...

Discussão

O método de fabricação de nanocristais micélica descrito no presente trabalho combina descendente electrospray, bottom-up Self-assembly, e controlar a estrutura de base solvente. Um método de controle de qualidade eficaz e conveniente é usar o cone de Taylor, formado na ponta do bocal coaxial. Isto é porque um cone de Taylor corretamente formado indica equilíbrio (ou perto de equilíbrio) entre força elétrica e a tensão superficial, que por sua vez, indica sucesso formação de microreatores (gotículas ultraf...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
Hydrophobic quantum dots	Ocean Nanotech	QSP	Solid hydrophobic CdSe/ZnS quantum dots. Peak fluorescence emission wavelength is 605 nm.
Poly(styrene)-b-poly(ethylene glycol) (PS-PEG)	Sigma-Aldrich	666476-500MG	Molecular weight of PS segment is 9.5 kDa and that of PEG segment is 18.0 kDa.
Poly(vinyl alcohol) (PVA)	Sigma-Aldrich	363170-500G	Molecular weight 13–23 kDa, 87–89% hydrolyzed.
Tetrahydrofuran (THF)	Sinopharma Chemical Reagent	80124418
Chloroform	Sinopharma Chemical Reagent	40007960
Syringe pumps	Bao Ding Shen Chen	SPLab01
Tubing	Shanghei Lai Xing		2 mm outer diameter and 1.8 mm inner diameter PTFE tubing.
Syringes	Yi Ming	5.CC	5 mL disposable syringe made of PTFE.
High voltage power supply	Dong Wen	DW Series	Direct current power supply (0–50 kV range).
Electrospray coaxial nozzle	Hunan Chang Sha Na Yi		Stainless 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).
Vortexer	Xi'an HEB Biotechnology Co., Ltd. China	MX-S	MX-S with wide speed range of 0–2,500 rpm, stepless speed regulation, touch and continuous operations.
Steel ring	Yiwu Wan Tu		Rings 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 dish	Grainger	1u5084	25-mm height and 120-mm diameter glass dish.
15 mL centrifuge tube	Jiangsu Xinkang Medical Instrument Co., Ltd.	X-407	Centrifuge tube is made of transparent polypropylene (PP).