Herstellung von sphärischen und Wurm-förmigen Mizellen Nanokristalle durch die Kombination von Elektrospray, Selbstmontage und lösemittelhaltige Strukturkontrolle

Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit beschreibt eine Methode um Mizellen Nanokristalle, einer neuen großen Klasse von Nanobiomaterials zu fabrizieren. Diese Methode verbindet Elektrospray Top-Down, Bottom-up-Selbstmontage, und lösemittelhaltige Strukturkontrolle. Das Herstellungsverfahren ist weitgehend kontinuierlich, qualitativ hochwertige Produkte zu produzieren und besitzt eine kostengünstige Mittel zur Strukturkontrolle.

Zusammenfassung

Mizellen Nanokristalle (Mizellen mit gekapselten Nanokristalle) sind eine aufstrebende große Klasse von Nanobiomaterials geworden. Wir beschreiben eine Methode zur Herstellung von Mizellen Nanokristalle anhand der Kombination von Top-Down-Elektrospray, Bottom-Up-Selbstmontage und lösemittelhaltige Strukturkontrolle. Bei dieser Methode wird zuerst mit Electrospray um einheitliche ultrafeine Flüssigkeitströpfchen zu erzeugen, von denen jede fungiert als Mikro-Reaktor in der Selbstmontage Reaktion bilden Mizellen Nanokristalle mit den Strukturen (Micelle Form und Nanocrystal auftritt Kapselung) gesteuert durch das organische Lösungsmittel verwendet. Diese Methode ist weitgehend kontinuierlich und produziert qualitativ hochwertige Mizellen Nanocrystal Produkte mit einem kostengünstigen Struktur Kontrollansatz. Durch die Verwendung einer Wasser mischbar organische Lösungsmittel Tetrahydrofuran (THF), können Wurm-förmigen Mizellen Nanokristalle durch Lösungsmittel-induzierte/erleichtert Micelle Fusion hergestellt werden. Verglichen mit der gemeinsamen sphärischen Mizellen Nanokristalle, bieten Wurm-förmigen Mizellen Nanokristalle minimierte unspezifische zelluläre Aufnahme, wodurch biologische Ausrichtung. Durch Co Kapseln mehrere Nanokristallen in jede Micelle, können multifunktionale oder synergistische Wirkungen erreicht werden. Aktuelle Einschränkungen dieses Herstellungsverfahren, die Bestandteil der zukünftigen Arbeit sein wird, gehören vor allem unvollkommenen Kapselung in Mizellen Nanocrystal Produkt und unvollständig kontinuierlichen Charakter des Prozesses.

Einleitung

Nanokristalle wie Halbleiter-Quantenpunkte (QDs) und superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln (Mondfotos) zeigten großes Potenzial für biologische Detektion, Bildgebung, Manipulation und Therapie^{1,2, 3,4,5,6}. Kapselung von einem oder mehreren Nanokristallen in einer Micelle ist eine weit verbreitete Methode zur Schnittstelle Nanokristalle mit biologischen Umgebungen^3,6gewesen. Die so gebildeten Mizellen Nanokristalle (Mizellen mit Nanokristallen gekapselt) sind eine neue Klasse von Nanobiomaterials^7,8,9,10geworden. Häufig verwendete Methoden der Micellen zu fabrizieren, die verschiedenen Materialien (z.B., Nanokristalle, niedermolekulare Medikamente und Farbstoffe) Kapseln zählen Film Flüssigkeitszufuhr, Dialyse, und mehrere andere^7,11.

Die vorliegende Arbeit beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Mizellen Nanokristalle anhand der Kombination von Top-Down-Elektrospray, Bottom-Up-Selbstmontage und Lösungsmittel-vermittelten strukturelle Kontrolle. Im Vergleich zu anderen Herstellungsmethoden von Mizellen Nanokristallen, unsere Methode bietet mehrere positive Eigenschaften: (1) Es ist ein weitgehend kontinuierlichen Produktionsprozess. Diese Funktion ist vor allem auf der Tatsache, dass Elektrospray in unserer Methode verwendet wird, um die Emulsion Tröpfchen bilden. Im Gegensatz dazu verwenden einige andere Methoden aufschütteln oder Beschallung Emulsion Tröpfchen, wodurch diese Methoden-Batch-Prozesse in der Natur¹²bilden. (2) es entstehen Produkte mit Hochwasser-Dispergierbarkeit, ausgezeichnete kolloidale Stabilität und intakten Körperfunktionen von gekapselten Nanokristallen. Dieser Prozess kann oft Produkte mit höchster Qualität im Vergleich mit anderen Micelle Kapselung Methoden, zu einem großen Teil, weil Elektrospray ultrafeine und einheitliche Emulsion Tröpfchen bilden kann geben. (3) die Strukturen der Produkte, einschließlich Micelle Form und Anzahl der gekapselten Nanokristalle, gesteuert durch das Lösungsmittel, das wesentlich preiswerter im Vergleich mit anderen Möglichkeiten der Kontrolle z. B. Ändern der amphiphilen Polymeren verwendet, und produzieren nicht nur die gängigen sphärische Micelle Form sondern Endlosschraube-wie Micelle Form über Micelle Fusion¹³. Die so gebildeten Wurm-förmigen Mizellen Nanokristalle befinden sich stark bieten unspezifische zelluläre Aufnahme als kugelförmige Entsprechungen¹³reduziert. Auf der anderen Seite lohnt es sich, darauf hinzuweisen, dass diese Methode das Setup von einem Elektrospray-Gerät voraussetzt (obwohl bei weitem nicht unerschwinglich) etwas mehr technisch anspruchsvoller ist als das Bedürfnis der Instrumentation in den anderen Methoden.

Das Herstellungsverfahren umfasst zunächst ultrafeine Flüssigkeitströpfchen (oft Öl-in-Wasser-Emulsion) mit einheitlichen Größen bis Elektrospray, gefolgt von Verdampfung des organischen Lösungsmittel Selbstmontage Mizellen Nanokristalle (Abbildung 1 bilden wiederum erzeugen ). Das Elektrospray-Setup verfügt über eine koaxiale Konfiguration mit konzentrischen Nadeln: die Öl-Phase, die amphiphile Blockcopolymere und hydrophoben Nanokristalle gelöst in organischen Lösungsmittel enthält, wird auf die innere Nadel (27 G Edelstahl-Kapillare geliefert ) mit einer Spritzenpumpe; die Wasserphase, die ein Tensid in Wasser gelöst enthält, wird die äußere Nadel (20 G Edelstahl-Dreiwege Stecker) mit einer zweiten Spritzenpumpe geliefert. Die koaxiale Düse wird eine hohe Spannung. Ultrafeine Tröpfchen mit einheitlichen Größen werden durch elektrodynamische Kraft Überwindung Oberflächenspannung und trägen Stress in der Flüssigkeit erzeugt. Jedes Tröpfchen im Wesentlichen fungiert als "Mikro-Reaktor", in dem, nach dem Entfernen des organischen Lösungsmittels durch Verdunstung, die Selbstmontage "Reaktion" entsteht spontan durch hydrophobe Wechselwirkungen. Einsatz von verschiedenen organischen Lösungsmitteln führt zu unterschiedlichen Strukturen der Mizellen Nanokristalle: ein Wasser nicht mischbare organische Lösungsmittel Chloroform führt zu kugelförmig Micelle Form, während Wasser mischbar organische Lösungsmittel THF mit einer langen Reaktionszeit zur Endlosschraube-wie führt Micelle Form zusammen mit verbesserten Nanocrystal Kapselung.

Protokoll

Achtung: Durch den Einsatz von organischen Lösungsmitteln, sollte alle Vorgänge in einem chemischen Abzug erfolgen. Vermeiden Sie durch den Einsatz hoher elektrischer Spannung Körperkontakt mit dem Apparat, wenn die Stromversorgung eingeschaltet ist. Verwenden Sie alle entsprechenden Sicherheits-Praktiken wie die Verwendung von persönlichen Schutzausrüstung (Schutzbrille, Handschuhe, Laborkittel, lange Hosen und geschlossene Schuhe). Finden Sie alle relevanten Sicherheitsdatenblätter (SDB).

1. Aufbau der Materialien

1. Zur Vorbereitung von QD Lösung auflösen 10 mg hydrophobe QDs (Fluoreszenz Emission Spitzenwellenlänge = 605 nm, als das Modell Nanokristalle hier verwendet) in 20 mL organische Lösungsmittel (Chloroform zur Herstellung von sphärischen Micelle Form oder THF für die Herstellung von Wurm-ähnliche Micelle Form) und Wirbel für 20 s.
2. PS-PEG-Lösung vorzubereiten, auflösen 100 mg PS-PEG (amphiphile Block-Copolymer, mit 9,5 kDA PS-Segment und 18,0 kDA PEG segment) in 10 mL organische Lösungsmittel (Chloroform zur Herstellung von sphärischen Micelle Form oder THF für die Herstellung von Wurm-ähnliche Micelle Form). Mix die Lösung durch Vortexen für 1 min (Chloroform) oder Bad beschallen für 2 min (THF).
3. Mix 1 mL QD Lösung und 1 mL PS-PEG-Lösung und Wirbel für 1 min. Spritze A. der Mischung hinzufügen. Die Spritze besteht aus PTFE.
4. Um PVA Lösung vorzubereiten, lösen sich 400 mg PVA (13-23 kDa, 87-89 % hydrolysiert) in 10 mL Wasser in einem beheizten Wasserbad bei 60 – 80 ° C für 4 – 5 h zulassen die PVA-Lösung vor Gebrauch auf Raumtemperatur abkühlen lassen.
5. B. Spritze 5 mL PVA-Lösung hinzufügen Die Spritze besteht aus PTFE.

2. Einstellung der Geräte

1. Legen Sie die innere Kapillare in die äußeren Kapillaren Baugruppe und Schrauben Sie vorsichtig in Position. Nicht überdrehen. Abbildung 2 zeigt den Gesamtaufbau des koaxialen Elektrospray-Systems. Die innere Kapillare Nadel ist eine Kapillare 27 G (Außendurchmesser 500 µm; Innendurchmesser 300 µm) aus rostfreiem Stahl, und die äußere Nadel ist ein 20 G (Außendurchmesser 1.000 µm; Innendurchmesser 500 µm) Edelstahl-Dreiwege Stecker. Die PTEE Schläuche verwendet hat einen Innendurchmesser von 1,8 mm.
2. Laden Sie Spritze A Spritze Pumpe a, wie in Abbildung 2dargestellt. Schließen Sie die Spritze A an der inneren Edelstahl-Kapillare der Elektrospray Koaxial Düse mit PTFE-Schläuche.
3. Laden Sie Spritze B Spritze Pumpe b, wie in Abbildung 2dargestellt. Schließen Sie die Spritze B an der äußeren Edelstahl-Kapillare der Elektrospray Koaxial Düse mit PTFE-Schläuche.
4. Position der Elektrospray-Koaxial-Düse Tipp ca. 0,8 cm über einem geerdeten Stahlring (Durchmesser 1,5 cm).
5. Ort eine Glassammlung Teller ca. 10 cm unterhalb der koaxialen Düse.
6. Schließen Sie mit dem Netzteil ausgeschaltet das Massekabel (schwarzes Kabel in Abbildung 2) an den geerdeten Stahlring.
7. Schließen Sie mit dem Netzteil ausgeschaltet den Pluspol (rote Leitung in Abbildung 2) des Netzteils an die innere Nadel der koaxialen Düse mit einem Metall Krokodilklemme.

3. Herstellung von Mizellen Nanokristallen

1. Stellen Sie die Geschwindigkeit der Spritze Pumpe A bis 0,6 mL/h.
2. Stellen Sie die Geschwindigkeit der Spritze Pumpe B bis 1,5 mL/h.
3. Starten beide Spritzenpumpen und warten auf ihre jeweiligen Durchflussmengen zu stabilisieren. Tropfen bilden an der Düse mit einer konstanten Rate geben eine stabile Durchflussmenge. Dies geschieht in der Regel innerhalb von 60 s nach dem Start Spritzenpumpen.
   Hinweis: Es sollte keine Luftblasen im Schlauch und Tröpfchen an der Elektrospray-Koaxial-Düse bilden sollte.
4. Schalten Sie die Stromversorgung der Elektrospray-Koaxial-Düse eine positive Hochspannung zuweisen. Stellen Sie die angelegte Spannung im Bereich von 5 – 9 kV, bis ein konkaves Kegel-Jet (d.h. eine konvergente Jet, allgemein bekannt als "Taylor Kegel") wird an der Spitze der koaxialen Düse (siehe Einschub der Abbildung 3a) beobachtet.
   Achtung: Achten Sie nicht darauf, Elektrospray-Düse zu berühren, wenn hohe Spannung angelegt wird. Sicherheitsvorkehrungen zu folgen.
   Hinweis: Nicht genügend Spannung wird in Tröpfchen bilden an der Spitze der Düse (siehe Einschub von Abb. 3 b) führen, während zu hohe Spannung bewirkt, dass einen elektrischen Lichtbogen zwischen der Düse und dem geerdeten Stahlring.
5. Nach ein stabiler Taylor Kegel (Abbildung 3a) erhalten hat, fügen Sie 10 mL entionisiertem Wasser in eine saubere Sammlung geben und ersetzen die Glasschale Sammlung im Setup. Das neue Gericht werden die Mizellen Nanocrystal Produkt sammeln.
6. Führen Sie die Mizellen Nanocrystal Produktionsprozess für eine bestimmte Zeitdauer (für ca. 40 min zur Herstellung von sphärischen Micelle Form oder ca. 90 min. für die Herstellung von Wurm-ähnliche Micelle Form). Entfernen Sie dann die Sammlung Schale von unterhalb der Elektrospray-Düse.
7. Stoppen Sie Spritzenpumpe A und B.
8. Die Hochspannungs-Stromversorgung ausschalten.
9. Ermöglichen Sie das organische Lösungsmittel verdunsten (in einer Dampfhaube) aus der ungedeckten Sammlung Schale über Nacht.
   Hinweis: Ausgehend von der Charakterisierung Ergebnisse der Mizellen Nanocrystal Produkte, reicht Verdunstung über Nacht zum Entfernen von organischen Lösungsmittel um Produkte mit guter Qualität zu erhalten.
10. Zu guter Letzt übertragen Sie die Mizellen Nanocrystal Produkt auf eine 15 mL Zentrifugenröhrchen für Charakterisierung (z.B.Fluoreszenz-Spektroskopie, dynamische Lichtstreuung, Transmissions-Elektronenmikroskopie und thermische Analyse), Anwendung oder Lagerung. Lagern Sie das endgültige Mizellen Nanocrystal Produkt im Kühlschrank bei 4 ° C.
    Hinweis: Das Produkt kann unter dieser Lagerbedingung für mindestens einen Monat stabil bleiben.

Ergebnisse

Abbildung 1 zeigt eine schematische Zusammenfassung der Kontrolle der Strukturen (Form und Kapselung) von Mizellen Nanokristallen durch das organische Lösungsmittel in der Produktion eingesetzt. Kurz, führt Dichlormethan zu sphärischen Micellen mit keine Kapselung von Nanokristallen; Chloroform führt zu sphärischen Micellen mit einer niedrigen Kapselung Reihe von Nanokristallen; THF führt kugelförmige Micellen mit einer hohen Kapselung Reihe von Nanokr...

Diskussion

Das Herstellungsverfahren von Mizellen Nanokristallen beschrieben in der vorliegenden Arbeit kombiniert Top-Down-Elektrospray Bottom-up-Selbstmontage und Lösungsmittel basierende Struktur steuern. Eine effektive und bequeme Qualitätskontrolle-Methode soll den Taylor Kegel an die koaxiale Düsenspitze gebildet. Dies ist da ein richtig geformte Taylor Kegel Gleichgewicht angibt (oder in der Nähe von Gleichgewicht) zwischen elektrische Kraft und Oberflächenspannung, die wiederum erfolgreiche Bildung von Mikroreaktoren (...

Materialien

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).