Fabricage van bolvormig en Worm-vormige micellaire nanokristallen door het combineren van Electrospray, zelf-assemblage en controle van de structuur op basis van oplosmiddel
Summary
Het huidige werk beschrijft een methode om te fabriceren micellaire nanokristallen, een opkomende grote klasse van nanobiomaterials. Deze methode combineert topdown electrospray, onderop zelf-assemblage, en op basis van oplosmiddel structuur controle. De fabricage methode is grotendeels continu kan produceren hoogwaardige producten en bezit een goedkoop middel structuur controle.
Abstract
Micellaire nanokristallen (micellen met ingekapselde nanokristallen) zijn een opkomende grote klasse van nanobiomaterials geworden. Beschrijven we een methode voor het fabriceren van micellaire nanokristallen op basis van bovenaf electrospray, onderop zelf-assemblage te combineren, en op basis van oplosmiddel structuur. Deze methode houdt het eerst electrospray gebruikt voor het genereren van uniform ultrafijne vloeibare druppeltjes, die fungeert als een micro-reactor waarin zelf-assemblage reactie zelftappende micellaire nanokristallen, met de structuren (micel vorm en nanocrystal optreedt inkapseling) gecontroleerd door de organisch oplosmiddel gebruikt. Deze methode is grotendeels continu en produceert hoogwaardige micellaire nanocrystal producten met een goedkope structuur controle-aanpak. Met behulp van een water-mengbaar organisch oplosmiddel tetrahydrofuraan (THF), kan worm-vormige micellaire nanokristallen worden geproduceerd als gevolg van oplosmiddel-geïnduceerde/vergemakkelijkt micel fusion. In vergelijking met het gemeenschappelijke sferische micellaire nanokristallen, bieden worm-vormige micellaire nanokristallen geminimaliseerde aspecifieke cellulaire opname, waardoor versterkt biologische targeting. Door samen het inkapselen van meerdere nanokristallen in elke micel, kunnen multifunctionele of synergetische effecten worden bereikt. Huidige beperkingen van deze productie-methode, die deel van de toekomstige werkzaamheden uitmaken zullen, omvatten hoofdzakelijk onvolmaakte inkapseling in het micellaire nanocrystal product en het onvolledig continu karakter van het proces.
Introduction
Nanokristallen zoals halfgeleider quantumdots (QDs) en superparamagnetische ijzeroxide nanodeeltjes (SPIONs) hebben aangetoond grote potentieel voor biologische detectie, imaging en manipulatie therapie1,2, 3,4,5,6. Het inkapselen van een of meer nanokristallen in een micel is een veel gebruikte methode om interface nanokristallen met biologische omgevingen3,6. De aldus gevormde micellaire nanokristallen (micellen met nanokristallen ingekapseld) zijn een opkomende klasse van nanobiomaterials7,,8,,9,10geworden. Veelgebruikte methoden voor het fabriceren van micellen die insluiten van diverse materialen (bijvoorbeeld, nanokristallen, klein molecuul drugs en kleurstoffen) omvatten film hydratatie, dialyse, en verscheidene anderen7,11.
Het huidige werk beschrijft een methode voor het fabriceren van micellaire nanokristallen gebaseerd op zelf-assemblage het combineren van bovenaf electrospray, onderop en oplosmiddel-gemedieerde structurele controle. Vergeleken met andere methoden van de fabricage van micellaire nanokristallen, onze methode biedt diverse nuttige functies: (1) het is een grotendeels continu productieproces. Deze functie is voornamelijk te wijten aan het feit dat electrospray in onze methode wordt gebruikt om te vormen van de emulsie druppels. Daarentegen kunnen een andere methodes vortexing of ultrasoonapparaat emulsie druppels, waardoor deze methoden batchprocessen in aard12vormen. (2) het resulteert in producten met een hoog water-dispersibility, uitstekende colloïdale stabiliteit en intact fysieke functies van de ingekapselde nanokristallen. Dit proces kan geven vaak producten van superieure kwaliteit in vergelijking met andere micel inkapseling methoden, voor een groot deel omdat electrospray ultrafijne en uniforme emulsie druppels kan vormen. (3) de structuren van de producten, met inbegrip van micel vorm en aantal ingekapselde nanokristallen, kunnen worden gecontroleerd door het oplosmiddel, dat veel meer goedkoop vergeleken met andere manieren van besturingselement is zoals het wijzigen van de amfifiele polymeren gebruikt, en kunnen produceren niet alleen de algemeen beschikbare sferische micel vorm maar worm-achtige micel vorm via micel fusion13. De aldus gevormde worm-vormige micellaire nanokristallen zijn gevonden te bieden sterk verminderd aspecifieke cellulaire opname dan de sferische tegenhangers13. Aan de andere kant, is het de moeite waard erop te wijzen dat deze methode vereist de installatie van een apparaat electrospray, dat is wat meer technisch veeleisende (hoewel ver van onbetaalbaar) dan de noodzaak van instrumentatie in de andere methoden.
De fabricage methode wordt eerst het genereren van ultrafijne vloeibare druppeltjes van de (vaak olie-in-water emulsie) met uniforme maten door electrospray, gevolgd door verdamping van organische oplosmiddelen, resulterend in zelf-assemblage te vormen micellaire nanokristallen (Figuur 1 ). De electrospray setup heeft een coaxiale configuratie met behulp van concentrische naalden: de fase van de olie, die bevat amfifiele blokcopolymeren en hydrofobe nanokristallen opgelost in een organisch oplosmiddel, wordt geleverd aan de innerlijke naald (27 G roestvrij staal capillair ) met een spuitpomp; de waterfase, waarin een oppervlakteactieve stof opgelost in water, wordt geleverd aan de buitenste naald (20 G roestvrij staal drieweg aansluiting) met een tweede-spuitpomp. Een hoge spanning wordt toegepast op de coaxiale mondstuk. Ultrafijne druppeltjes met uniforme maten worden gegenereerd als gevolg van Elektrodynamische kracht overwinnen oppervlaktespanning en inertial stress in de vloeistof. Elke druppel in wezen functioneert als een ‘micro-reactor’, waarin, na verwijdering van het oplosmiddel door verdamping, de zelf-assemblage ‘reactie’ spontaan optreedt als gevolg van hydrofobe interacties. Met behulp van verschillende organische oplosmiddelen leidt tot verschillende structuren van micellaire nanokristallen: een water-niet mengbaar organisch oplosmiddel chloroform leidt tot sferische micel vorm, terwijl een water-mengbaar organisch oplosmiddel THF met een lange reactietijd tot worm-achtige leidt Micel vorm samen met verbeterde nanocrystal inkapseling.
Protocol
Representative Results
Discussion
De fabricage methode van micellaire nanokristallen beschreven in het huidige werk combineert topdown electrospray, onderop zelf-assemblage en oplossingsmiddelen gebaseerde structuur bepalen. Een effectief en handig kwaliteitscontrole-methode is het gebruik van de Taylor kegel gevormd op het puntje van de coaxiale mondstuk. Dit is omdat een goed gevormde Taylor kegel evenwicht aangeeft (of in de buurt van evenwicht) tussen elektrische kracht en oppervlaktespanning, die op zijn beurt geeft aan succesvolle vorming van micro…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs mijn dankbaarheid uitspreken voor de financiële steun van een “Duizend Young Global talenten” award van de Chinese centrale overheid, een “Shuang Chuang” award van de provinciale regering Jiangsu, startfonds, gevormd uit College voor techniek en toegepaste Wetenschappen, Universiteit Nanjing, China, award van de “Tian-Di” Stichting subsidie uit de prioriteit academische programma ontwikkeling Fonds van Jiangsu hogeronderwijs instellingen (PAPD), verlenen uit het Fonds voor Natuurwetenschappen provincie Jiangsu.
Materials
| 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). |
References
- Nie, S., Xing, Y., Kim, G. J., Simons, J. W. Nanotechnology Applications in Cancer. Annu. Rev. Biomed. Eng. 9, 257-288 (2007).
- Smith, A. M., Ruan, G., Rhyner, M. N., Nie, S. M. Engineering Luminescent Quantum Dots for In Vivo Molecular and Cellular Imaging. Annals Biomed. Eng. 34 (1), 3-14 (2006).
- Heath, J. R., Davis, M. E. Nanotechnology and Cancer. Annu. Rev. Medicine. 59, 251-265 (2008).
- Pu, K., Chattopadhyay, N., Rao, J. Recent advances of semiconducting polymer nanoparticles in in vivo molecular imaging. J. Control. Release. 240, 312-322 (2016).
- Swierczewska, M., Han, H. S., Kim, K., Park, J. H., Lee, S. Polysaccharide-based nanoparticles for theranostic nanomedicine. Adv. Drug Deliv. Rev. 99, 70-84 (2016).
- Gao, X. H., Yang, L. L., Petros, J. A., Marshal, F. F., Simons, J. W., Nie, S. M. In vivo molecular and cellular imaging with quantum dots. Curr. Opin. Biotechnol. 16 (1), 63-72 (2005).
- Dubertret, B., Skourides, P., Norris, D. J., Noireaux, V., Brivanlou, A. H., Libchaber, A. In vivo imaging of quantum dots encapsulated in phospholipid micelles. Science. 298 (5599), 1759-1762 (2002).
- Ruan, G., et al. Simultaneous magnetic manipulation and fluorescent tracking of multiple individual hybrid nanostructures. Nano Lett. 10 (6), 2220-2224 (2010).
- Ruan, G., Winter, J. O. Alternating-color quantum dot nanocomposites for particle tracking. Nano Lett. 11 (3), 941-945 (2011).
- Park, J. H., von Maltzahn, G., Ruoslahti, E., Bhatia, S. N., Sailor, M. J. Micellar hybrid nanoparticles for simultaneous magnetofluorescent imaging and drug delivery. Angewandte Chemie-International Edition. 47 (38), 7284-7288 (2008).
- Torchilin, V. P. PEG-based micelles as carriers of contrast agents for different imaging modalities. Adv. Drug Deliv. Rev. 54 (2), 235-252 (2002).
- Sun, Y., et al. Examining the roles of emulsion droplet size and surfactant in the interfacial instability-based fabrication process of micellar nanocrystals. Nanoscale Research Letters. 12, 434 (2017).
- Ding, X. Y., Han, N., Wang, J., Sun, Y. X., Ruan, G. Effects of organic solvents on the structures of micellar nanocrystals. RSC Advances. 7 (26), 16131-16138 (2017).
- Sailor, M., Park, J. Hybrid nanoparticles for detection and treatment of cancer. Adv. Materials. 24 (28), 3779-3802 (2012).
- Jing, L. H., Ding, K., Kershaw, S. V., Kempson, T. M., Rogach, A. L., Gao, M. Y. Magnetically engineered semiconductor quantum dots as multimodal imaging probes. Adv. Materials. 26 (37), 6367-6386 (2014).
- Bao, G., Mitragotri, S., Tong, S. Multifunctional nanoparticles for drug delivery and molecular imaging. Annu. Rev. Biomed. Eng. 15, 253-282 (2013).
- Mura, S., Couvreur, P. Nanotheranostics for personalized medicine. Adv. Drug Delivery Rev. 64 (13), 1394-1416 (2012).
- Louie, A. Y. Multimodality imaging probes: design and challenges. Chem. Rev. 110 (5), 3146-3195 (2010).
