JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
化学

Voorbereiding van functionele Silica met behulp van een methode Bioinspired

Published: August 01, 2018
doi:
10.3791/57730
, ,
1Department of Chemical and Biological Engineering,University of Sheffield

Summary

Hier presenteren we een protocol om te synthetiseren van bioinspired silica materialen en immobiliseren enzymen daarin. Siliciumdioxide wordt gesynthetiseerd door natrium-silicaat en een amine ‘levensmiddelenadditief’, die met een gecontroleerde snelheid neutraliseren te combineren. Materiaaleigenschappen en functie kunnen worden gewijzigd door in situ enzym immobilisatie of post synthetische zure elutie van ingekapselde additieven.

Abstract

Het doel van de hierin beschreven protocollen is te synthetiseren van bioinspired silica materialen, enzym inkapseling daarin uitvoeren, geheel of gedeeltelijk hetzelfde zuiveren door zure elutie. Door het combineren van natriumsilicaat met een additieve polyfunctional-bioinspired, siliciumdioxide snel gevormd op omgevingsomstandigheden na neutralisatie.

Het effect van neutralisatie tarief en Biomolecuul toevoeging punt op silica opbrengst worden onderzocht, en Biomolecuul immobilisatie efficiëntie voor verschillende toevoeging punt wordt gerapporteerd. In tegenstelling tot andere methoden voor de synthese van poreuze silica, is aangetoond dat de milde voorwaarden bioinspired silica synthese volledig compatibel met de inkapseling van delicate biomoleculen zijn. Bovendien, worden milde voorwaarden binnen alle synthese en wijziging stappen, maken van bioinspired silica een veelbelovende doelwit voor de schaalvergroting en commercialisering als zowel een kaal materiaal en de actieve steun medium gebruikt.

Is aangetoond dat de synthese zijn zeer gevoelig voor voorwaarden, dat wil zeggen, de neutralisatie tarief en definitieve synthese pH, maar strak controle over deze parameters is aangetoond door het gebruik van automatische titratie methoden, wat leidt tot hoge reproduceerbaarheid in reactie progressie traject en rendement.

Bioinspired silica is daarom een uitstekende actieve materiële steun keuze, veelzijdigheid naar vele huidige toepassingen, niet beperkt tot die hier gedemonstreerd, en potentie in toekomstige toepassingen tonen.

Introduction

Het gebruik van silica als een structurele steun voor industriële katalysatoren is goed ingeburgerd, rekening houdend met de verbeterde catalyst activiteit, de stabiliteit en de verwerkbaarheid,1 vandaar mogelijk de verlaging van de operationele kosten. Deze voordelen zijn vermengd in het geval van enzym immobilisatie, zoals opslag binnen een porie-systeem van silica aanzienlijke voordelen op het enzym lifetime over de gratis tegenhanger verlenen kan. Dienovereenkomstig, heeft veel inspanning is uitgegeven in het vinden van de beste methode om enzymen hechten aan silica soorten, met meerdere beoordelingen vergelijken onderzoeken met behulp van verschillende methoden van immobilisatie op Kiezelhoudende solide ondersteunt. 2 , 3 , 4

Enzymen zijn meestal gekoppeld via physisorption of covalente bindingen, naast inkapseling in een poreus materiaal. 5 er zijn echter belangrijke nadelen aan elke methode gerelateerde: physisorption afhankelijk van voorbijgaande oppervlakte interacties tussen de silica en Biomolecuul, die kan heel gemakkelijk worden verzwakt door de voorwaarden van de reactie leidt tot het onaanvaardbare enzym uitspoeling. De veel sterkere covalente bijlage resulteert meestal in lagere activiteit als gevolg van de verminderde conformationele vrijheid actieve soorten. Inkapseling kan leiden tot verminderde activiteit als gevolg van het enzym ontoegankelijkheid of diffusional beperkingen. 6

Recente ontwikkelingen op het gebied van mildere (vaak nagesynchroniseerde ‘ bioinspired’) silica syntheses hebben vastgesteld de inkapseling in situ van biomoleculen en andere actieve soorten tijdens de materiële synthese. 7 , 8 , 9 deze methode ontkent veel van de nadelen van conventionele immobilisatie – in tegenstelling tot chemisorptie benaderingen de conformationele vrijheid van de Biomolecuul wordt onderhouden door het gebruik van zwakkere noncovalent interacties, maar als de porie holte vormen rond de Biomolecuul, uitspoeling is nog steeds voorkomen. Inderdaad, inkapseling blijkt te werken voor een scala van biomoleculen en zelfs hele cellen,10 en door inkapseling in bioinspired silica effecten zoals deactiveren als gevolg van strenge proces voorwaarden kunnen worden vermeden. 7 , 11

Het doel van de hier beschreven methode is om voor te bereiden een poreuze siliciumdioxide met controleerbare eigenschappen, onder omstandigheden, met behulp van een bioinspired organische additief. De methode kan eenvoudig worden aangepast om op te nemen van de inkapseling van anorganische of bioorganic moleculen, een selectie daarvan worden vermeld. Verder laten we zien een facile methode voor het wijzigen van de materialen als gesynthetiseerde om gewenste bulk eigenschappen en zuivering door het verwijderen van de organische sjabloon via zure elutie.

In vergelijking met de traditionele synthese van templated poreuze silica ondersteunt (bijvoorbeeldsiliciumdioxide materialen templated door supramoleculaire oppervlakteactieve stof assemblages zoals MCM-41 of SBA-15)12 die deze methode aanzienlijk is sneller en milder, inschakelen op maat gesneden, in situ inkapseling zonder de noodzaak voor talrijke immobilisatie stappen en moeizame zuivering. Bovendien is het gebruik van zure elutie in plaats van calcinatie opent de mogelijkheid van organische oppervlakte functionalization.

Deze methode is zeer toepasselijk voor degenen die werkzaam zijn in de actieve soorten immobilisatie die physisorption hebben gevonden of covalente immobilisatie gebleken. Het is ook nuttig voor degenen proces schaal-up onderzoeken, zoals de bioinspired synthese is uniek gepositioneerd voor industrialisatie in vergelijking met conventionele templated silica materialen. 13 , 14 die deze methode wordt niet aanbevolen voor toepassingen waarvoor een geordende matrix van poriën binnen de materiële bijvoorbeeldvoor fotonica, als de materiële structuur is ontregelde ondanks elke gelijkenis in bulk eigenschappen.

Protocol

1. bereiding van de oplossingen van de voorloper (en optionele Encapsulant oplossingen) In een plastic container van 180 mL, 1,5 mmol van natriumsilicaat pentahydraat (318.2 mg) meten en oplossen in 20 mL gedeïoniseerd water. Ook in een tweede container, 0,25 mmol van pentaethylene hexamine (PEHA, 58.1 mg) meten en oplossen in 20 mL gedeïoniseerd water. Wanneer u alternatieve amine-bevattende verbindingen b.v.,diëthyleentriamine (DETA) of triethylenetetraamine (TETA), ervoor zorgen dat de totale Si:N molverhouding 1 (dat wil zeggen, overeenkomend met 0,5 mmol voor DETA of 0.375 mmol van TETA in constant blijft de beschreven procedure)15. Wanneer u polymere amine additieven BV,poly(ethyleneimine) (PEI) of poly(allylamine hydrochloride) (PAH), handhaven een concentratie van 1 mg/mL (laatste reactie volume)15.Let op: Verwerken deze aminen alleen binnen een zuurkast, zoals ze bijtende of giftige in hun zuivere vormen (vooral als dampen zijn). Om uit te voeren in situ inkapseling tijdens synthese, los op een vooraf bepaalde hoeveelheid eiwit (hierin 50 mg van bovien serumalbumine, BSA) in 5 mL gedeïoniseerd water. Deze hoeveelheid water uit de hoeveelheid gedeïoniseerd water moet worden gebruikt voor de ontbinding van natriumsilicaat pentahydraat aftrekken. Om te verlichten van het eiwit ontbinding zonder wijziging van de structuur, eenmaal gemengd met gedeïoniseerd water, cap van de container en bewaren bij 4 ° C. Controleer af en toe op de voortgang van ontbinding, bij voorkeur zonder roeren. 2. silica synthese Combineren van de oplossingen van natriumsilicaat pentahydraat en PEHA in één van de 180 mL flacon en voeg voldoende gedeïoniseerd water zodat de finale oplossing volume 41 mL (of 46 als in situ inkapseling wordt weggelaten). Plaats de vers bereide mengsel van natrium-silicaat en PEHA oplossingen op de bovenkant van een roerder plaat, het toevoegen van een roerder bar om consistente mengen. In dit schip, een pH-sonde onderbreken en opnemen van de initiële pH. In dit stadium, optioneel, een 750 µL aliquoot deel van het begin mengsel voor latere bepaling van de beginconcentratie van de [Si], met behulp van de spectrofotometrische bepaling van molybdeen blauw, zoals beschreven in stap 8.1 te verwijderen. Beginnen de synthese door toevoeging van een vooraf vastgestelde hoeveelheid van 1 M HCl, berekend op basis van Figuur 1, en de onmiddellijke ontwikkeling van turbiditeit observeren (Zie Figuur 2) Zodra de zure toevoeging voorbij is, de encapsulant oplossing toevoegen (indien van toepassing) zo spoedig mogelijk.Opmerking: Het eindvolume gegeven van deze hoeveelheden is 50 mL totale reactiemengsel, leiden tot Si en N concentraties van 30mM. Dit kan worden geschaald als gewenste door alle bovenstaande hoeveelheden te vermenigvuldigen met een constante bedrag. Record van de pH na 5 min om de voltooiing van de reactie; ervoor zorgen dat de pH 7 ± 0,05. 3. zure elutie van de materialen De samenstelling van geproduceerde silica wijzigen nadat de reactie voltooiing (of als een als-en-klare coagulum door resuspending van een vorige gesynthetiseerde steekproef van silica) heeft bereikt door toevoeging van verdere zuur. Als resuspending van silica, meng ongeveer 150 mg-bereid bioinspired silica met 100 mL gedeïoniseerd water in een plastic container van 180 mL en plaatsen op de bovenkant van een roerder plaat. Zodra de opschorting is goed vermengd zijn, schorten een sonde van de pH in het schip. Titreer in verdere HCl tot de gewenste pH (tussen 7 en 2) heeft bereikt en laat het stabiliseren voor ca. 1 min. Een verdere 5 min wachten om ervoor te zorgen het systeem heeft volledig geëquilibreerd, en gaat u verder met het isoleren van de solide silica. 4. silica scheiding en drogen Decanteer de bioinspired silica schorsing in 50 mL centrifuge buizen. Centrifugeer de schorsing bij 5000 g gedurende 15 minuten. Verwijder het supernatant na centrifugeren en winkel voor verdere analyse (bijvoorbeeld de analyse van Bradford, zie hieronder). De centrifuge buizen met gedeïoniseerd water bijvullen en resuspendeer de silica met behulp van een vortex-mixer. Herhaal het centrifugeren, supernatant opslag en resuspensie tweemaal. Na de definitieve centrifugeren, verwijder het supernatant en schraap het kiezelzuur in een keramische smeltkroes. Drogen in een oven’s nachts bij 85 ° C. Als inkapseling heeft plaatsgevonden, gebruikt u een freeze-drying faciliteit of een oven onder vacuüm te vermijden denaturatie van eiwit. 5. produktie van molybdeen reagens (MBR) voor [Si] bepaling blauw Toevoegen aan een kunststof maatkolf van 1 L, 8 mmol (10 g) ammonium molybdaat tetrahydraat in een zuurkast. Los dit op in 500 mL gedeïoniseerd water onder roeren. Breng de oplossing door zorgvuldig toe te voegen 60 mL 10 M HCl oplossing. Het uiteindelijke volume op 1 L. 6. produktie van para-aminofenol sulfaat reductiemiddel (RA) voor bepaling van de [Si] Plaats een volumetrische maatkolf van 500 mL glas in een waterbad bij kamertemperatuur op een plaat van de roerder in een zuurkast. Voeg 111 mmol (10 g) van watervrij oxaalzuur, 19.5 mmol (3.35 g) van para-aminofenol sulfaat en 16 mmol (2 g) van natriumsulfiet en los op in 250 mL water. Zorgvuldig en langzaam toevoegen van 92 g (50 mL) van verzadigde zwavelzuur al roerend en wacht op de oplossing om te koelen. Ten slotte, vul met gedeïoniseerd water tot 500 mL. 7. Silicomolybdic zuur Assay op monomeer Silica soorten In een plastic flesje van 5 mL, verdunde 300 µL van MBR geproduceerd in stap 5.4 met 3 mL gedeïoniseerd water. Voeg 10 µL van een ferrizouten acid testoplossing en de shake te mengen.Opmerking: Deze oplossing zal langzaam geel. Voeg na precies 15 min, 1.6 mL van de reductor bereid uit sectie 6 om de gele silicomolybdate complex tot haar blauwe isomeer. Een blauwe kleuren te ontwikkelen voor ten minste 2, maar niet meer dan 24 h zijn toegestaan. Meten van de extinctie van het monster op 810 nm in een spectrofotometer UV-vis en berekenen [Si] tegen een kalibratiekromme. 8. Silico Molybdic zuur Assay op polymere Silica soorten Voor het meten van de concentratie van polysilicaten soorten methode molybdeen blauw, in een microcentrifuge buis, 750 µL van 2 M natriumhydroxide-oplossing met 750 µL silica schorsing te combineren. Zegel en breng dit in een microcentrifuge-float. Zorgen voor voldoende headspace is links in de buis te voorkomen barsten als gevolg van druk opbouwen.Opmerking: Een headspace van 500 µL is meestal voldoende om dit te voorkomen. Als alternatief, de procedure kan worden uitgevoerd in open flesjes zo lang als vloeibare verlies als gevolg van verdamping wordt administratief verwerkt. De microcentrifuge-buizen zweven in een waterbad verwarmd tot 80 ° C en laat deze te ontbinden gedurende 1 uur. Na 1 uur is verstreken, verwijderen van de microcentrifuge-buizen en veeg de buitenkant droog. Eenmaal afgekoeld, kan [Si] worden bepaald zoals hierboven beschreven, zoals beschreven in stappen 7,2 tot 7,5. 9. Bradford Assay methode voor extractie van eiwitconcentratie in Silica Een vooraf bepaald bedrag van de (kamertemperatuur) Bradford reagens en voorbeeldtekst invoegen in elke toegewezen cuvette (Zie tabel 1 en tabel 2 voor specifieke volumes). Gebruik Wegwerp pipet tips voor elke cuvette te voorkomen volume veranderingen als gevolg van de aard van het reagens en elk punt in drievoud herhalen. Elke cuvette Meng door 3 keer omkeren en laten ontwikkelen gedurende 10 minuten. Meten van de absorptie bij 595 nm met behulp van zuivere bovendrijvende substantie als leeg. Bereken de oorspronkelijke extinctie van elke cuvette door af te trekken van elke meting van de extinctie gevonden voor de controlemonster (cuvette No. 0 in beide testen). Bereken de eiwitconcentratie van onbekende monster met behulp van een ijkcurve (Figuur 3). In geval van verdunning van het oorspronkelijke monster moet de verdunningsfactor administratief worden verwerkt. Maak een kalibratiekromme voor elke reeks experimenten door plotting gemeten extinctie tegen de concentratie van de BSA om willekeurige schommelingen die van invloed kunnen zijn voor de bepaling van gevoeligheid. Hoewel dit eiwit bepaling is bedoeld om te gebruiken BSA als een standaard te kwantificeren van elk soort eiwit, maken een kalibratiekromme voor elke specifieke proteïne van belang voor verbeterde nauwkeurigheid. Als het eiwitgehalte van het onbekende monster verwachting hoger dan het overdekte bereik van de kalibratiecurve, Verdun het zo nodig. Gehalte aan andere melkeiwitten voor elk monster bepalen tijdens resuspensie volgen mogelijk eiwit verlies.

Representative Results

De technieken die hierboven beschreven zijn kundig consequent en reproducibly silica neerslaat. Dit is het makkelijkste om te bepalen door het snelle begin van troebelheid binnen het reactievat, die na beëindiging van de agitatie spontaan in een dikke coagulum van neergeslagen kiezelzuur (Figuur 2 vestigen zal). De omvang van de reactie en dus rendement kan worden bevestigd door het meten van de massa van deze coagulum na scheiding en is meestal 58 ± 6,5% (Figuur 4, geel). Verder inzicht in de progressie van de reactie kan worden gegenereerd door aanpassing van de molybdeen blauwe spectroscopische methode om te ontdekken van de hoeveelheid spoorverontreiniging monomeer silicaat soorten, alsmede de soorten die hebben gereageerd op polysilicates of ‘oligomeren’, maar er niet in geslaagd om te bereiken van voldoende omvang om te coaguleren (Figuur 4, rood en blauw respectievelijk). Deze specifieke silica soortvorming gegevens is van bijzonder belang bij het vergelijken van verschillende titratie efficiëntie voor de neerslag reactie – dat wil zeggen hoe de uiteindelijke reactie pH en het tempo waarin deze wordt bereikt beïnvloedt de polymerisatie van monomeer silica aan een ‘oligomeren’ en zijn latere coagulatie aan solide silica. Door aanpassing van de hoeveelheid zuur toegevoegd in fase 2.4 enigszins, onder – of over – titration van het reactiemengsel kan worden uitgevoerd (Figuur 5). Door het meten van de silica soortvorming nogmaals voor deze twee gevallen, kan een duidelijk verschil worden gezien in de voltooiing van de reactie (Figuur 4) ondanks slechts kleine wijzigingen aan het profiel van de titratie van de reactie (Figuur 5). Hoewel geen verschil bestaat tussen de consumptie van monomeer soorten voor de gevallen van de drie reactie (resterende tussen 29-33%), is er een duidelijk verschil in de hoeveelheid oligomere silica soorten die neerslag in elk geval. Dit is in overeenstemming met de traditionele theorie over silicas van de sol-gel – in het geval van ‘undershoot’ de pH is gehouden hoger voor langer, waardoor afzonderlijke deeltjes te groeien en dus medeplichtigheid aan efficiënte stolling; in het geval van “overschrijding” de stolling veel sneller wordt veroorzaakt als gevolg van de snelle titratie, dus minder soorten silica gegroeid naar een voldoende omvang te coaguleren en blijven gevangen in de colloïdale fase. 16 Gezien het belang van de titratie op silica vorming, is a priori kennis van de juiste titratie volume essentieel. Hoewel niet extraheerbare uit de stoichiometrie van de reactie als gevolg van de complexe Protonering gedrag van de amine additieven en verandering in silica oppervlakte zuren in coagulatie, zeer betrouwbare empirische relaties tussen de inhoud van het systeem, concentraties en titer volumes zijn gemakkelijk gegenereerd (Figuur 1). Zodra coagulatie is afgerond, kunnen materiële oppervlakken worden gemakkelijk gewijzigd door het gebruik van zure elutie, zoals onlangs door de auteurs elders heeft gemeld. 13 dit zorgt voor “fine-tuning”-van materiaaleigenschappen zoals samenstelling, porositeit en chemische activiteit van additief (Figuur 6a en b). In deze studie, BSA werd gebruikt als een exemplar encapsulant enzym, echter, de hier beschreven technieken kunnen worden gebruikt voor meerdere enzymen17,18. De procedure die werd gevolgd voor de detectie van de eiwitten is het Bradford assay protocol,19 met behulp van het supernatant van elke cyclus centrifugeren opgeslagen. De hoeveelheid eiwit in het supernatant wordt berekend met behulp van een ijkcurve die is gemaakt op basis van bekende hoeveelheden van BSA opgelost in het supernatant van een monster met nul eiwitgehalte (controlemonster). De hoeveelheid eiwit ingekapseld in een silica zal worden berekend door aftrekken van de gedetecteerde proteïne in supernatant van het aanvankelijke bedrag van eiwit toegevoegd. Het enige reagens nodig voor de assay is de Bradford-reagens (aangekocht of gemaakt volgens standaard recepten). Er zijn drie soorten assay formaat, afhankelijk van het monstervolume, de verwachte hoeveelheid eiwit worden gedetecteerd en de meetmethode gebruikt. Hierin, de gevolgde indeling is opgegeven voor een spectrofotometer, wegwerp cuvettes van macro en micro grootte vereist en kan detecteren van 10 µg/mL tot 1,4 mg/mL van eiwit. In Figuur 7 wordt de hoeveelheid eiwit ontdekt na elke wasbeurt (stap 4.3) weergegeven als een % van het bedrag van de eerste eiwit (die was 50 mg). Rond werd ~ 50% van de BSA ontdekt in het supernatans dat na de eerste centrifugeren, dat betrekking op ~ 50% immobilisatie efficiëntie heeft. Als er dat geen BSA gedetecteerd in de volgende wast was, dat BSA (of een andere enzym) kan veilig worden ingekapseld tijdens silica synthese met geen uitloging – is dit een belangrijk voordeel van deze methode. Ter bevestiging van de aanwezigheid van de BSA in de silica geproduceerd, werd Fourier Transform infrarood spectroscopie (FTIR) analyse uitgevoerd. De aanwezigheid van de karakteristieke bands voor amide I en II op het gebied van 1.500/cm en 1650/cm (Figuur 8) in de monsters bereid in de aanwezigheid van BSA, maar niet in het besturingselement monsters (geen BSA) bevestigd de aanwezigheid van de BSA in de vaste stoffen. Naast de methode van enzym toevoeging hierboven (BSA toegevoegd tijdens de neutralisatie van reactiemengsel) beschreven, zijn er andere mogelijke variaties bijvoorbeeldBSA toevoeging tijdens het mengen van de silicaat en het additieve oplossingen, voorafgaand aan de neutralisatie of enzym toegevoegd aan de silicaat of additief oplossing vóór hun mengen en neutralisatie. Enkele van deze mogelijkheden werden verder onderzocht en de efficiëntie van de immobilisatie (massa van BSA geïmmobiliseerd als een percentage van enzym toegevoegd aan het systeem van de reactie, berekend op basis van de analyse van Bradford) en de hoeveelheid BSA in de definitieve silica waren gemeten) concentratie van BSA in silica in procenten van het totale samengestelde gewicht geproduceerd, Zie Figuur 9). Het was duidelijk dat er geen aanzienlijke verschillen in de efficiëntie van de immobilisatie of de hoeveelheid BSA in de resulterende samengestelde toen BSA werd toegevoegd aan de spoorverontreiniging reagentia (gevallen A-C in Figuur 9 waren). Wanneer BSA wordt toegevoegd tijdens silica vorming (geval D in Figuur 9), waren immobilisatie-efficiëntie en de hoeveelheid BSA in het eindproduct echter aanzienlijk lager zijn. Ondanks deze verschillen zijn de gemiddelde hoeveelheid siliciumdioxide geproduceerd onveranderd (tussen 85-90 mg). Deze opmerkingen kunnen worden verklaard op basis van de ionisatie (of elektrisch punt) van de BSA, silicaat/silica en het toevoegingsmiddel. De verschillende methoden van optelling, is voorzien van verschillende interacties tussen het enzym en silica precursoren. Als de pH op het moment van de toevoeging van het enzym wijzigingen bepalend zijn voor de ionisatie van elke soort Intermoleculaire interacties, die op zijn beurt zal de controle van de efficiëntie van immobilisatie. Cuvette-No Concentratie van BSA (mg/mL) Bradford reagens (mL) Monster (mL) 0 0 (control) 1.5 0,05 1 0.1 1.5 0,05 2 0,25 1.5 0,05 3 0,5 1.5 0,05 4 0,75 1.5 0,05 5 1 1.5 0,05 6 1,25 1.5 0,05 7 Onbekend monster (X) 1.5 0,05 Tabel 1: Macro Bradford assay set-up en berekende component volumes. Geldig voor bepaling bereik 0.1-1.4mg/mL (volumes voor 1 repliceren) Cuvette-No Concentratie van BSA (mg/mL) Bradford reagens (mL) Monster (mL) 0 0 (control) 1 1 1 1 1 1 2 2.5 1 1 3 5 1 1 4 7.5 1 1 5 10 1 1 6 Onbekend monster (X) 1 1 Tabel 2: Micro Bradford assay set-up en berekende component volumes. Geldig voor bepaling bereik 1-10 µg/mL (volumes voor 1 repliceren) Figuur 1 : Titer volume tegen silica concentratie voor reactie systemen met DETA of PEHA als het toevoegingsmiddel vereist. Silica werd gesynthetiseerd in uiteenlopendeconcentratiesverkrijgbaar met behoud van een [N]: [Si] verhouding van 1, voor twee verschillende additieve chemicaliën. Foutbalken zijn één standaarddeviatie rond het gemiddelde.  Figuur 2 : Foto’s van silica coagulum in het reactievat (a) tijdens en (b) na agitatie, demonstreren de oplossing turbiditeit en afwikkeling die zijn indicatief van een optimale reactie.   Figuur 3 : Exemplar kalibratiekromme voor macro-analyse van Bradford. Supernatant van bioinspired silica synthese in afwezigheid van BSA wordt gemengd met een bekende hoeveelheid van het eiwit, waarna de analyse van Bradford wordt uitgevoerd zoals beschreven in stap 9.1. Figuur 4 : Laatste polymerisatie staten verschillende reactie voorwaarden soorten silica. Siliciumdioxide wordt gesynthetiseerd met optimale (basislijn) voorwaarden, ook als met over- of onder titratie, waarna relatieve silica concentratie wordt gekwantificeerd voor monomeer of dimeric silicaten (rood), polysilicaten ‘oligomeren’ (blauw) en unstable stollen silica (geel). Figuur 5 : Progressie van de pH door reactie systeem als een functie van eerste titer volume. Zuur is onmiddellijk gedoseerd na ca. 38s van het mengen, waardoor de pH op snel dalen tot onder 8. Daarna zijn verder hoeveelheden zuur automatisch gedoseerd zodat de pH 7,0 ± 0,05 300s na eerste toevoeging was. In het geval van overdreven titrating was dit niet haalbaar, als de eerste dosis voldoende was om de daling van de pH tot minder dan 7, bereiken pH 6.65 na 300s. Oorspronkelijke volume HCl toegevoegd voor ‘undershoot,’ ‘baseline’, en ‘overschrijding’ was 6,90 7.05 en 7.20mL respectievelijk. Figuur 6 : Vertegenwoordiger eigenschapswijzigingen op verzuring van gestolde silica materiaal. (a) verandering van additieve concentratie met betrekking tot pH, en (b) verandering van silica porositeit ten aanzien van de pH. Gereproduceerd van Manning et al. 13 onder Creative Commons licentie.  Figuur 7 : BSA concentratie in bioinspired silica synthese supernatant. Bradford tests werden uitgevoerd op reactie supernatant na het centrifugeren, waaruit de relatieve hoeveelheid resterende (daarom geroteerd uit de gesynthetiseerde silica) werd bepaald. Figuur 8 : FTIR analyse op bioinspired silica met en zonder actieve soorten inkapseling. Spectra toonde: zwarte lijn: bioinspired silica, grijze lijn: pure BSA, blauwe lijn: bioinspired silica geladen met BSA. Verticale stippellijnen karakteristiek amide bands.  Figuur 9 : Immobilisatie-efficiëntie en de hoeveelheid BSA in de vierkleurendruk voor silica geproduceerd met behulp van PEHA. BSA (A) werd toegevoegd in de PEHA oplossing vóór het mengen met silicaat (B) in de silicaat oplossing vóór het mengen met PEHA, (C) na het eerste mengen van PEHA en silicaat oplossingen, en (D) na het mengen van PEHA en silicaat oplossingen en te neutraliseren. Efficiëntie wordt gemeten als % BSA ingekapseld uit het reactiemengsel als percentage van de totale BSA toegevoegd, terwijl BSA in silica % concentratie van BSA in definitieve silica composiet massaprocent betekent. Foutbalken zijn één standaarddeviatie rond het gemiddelde.

Discussion

In het huidige werk presenteren we een methode om snel het doen neerslaan bioinspired silica materialen en inkapseling van biomoleculen daarin. We laten zien dat kritische stappen binnen de procedure, namelijk de hoeveelheid reactie-initiëren zuur worden toegevoegd, en timing van de toevoeging van de Biomolecuul encapsulant. We tonen het effect van zure toevoeging bedrag op zowel de reactie progressie en de opbrengst (Figuur 4 en Figuur 5, respectievelijk), en een methode voor strakke controle over de voorwaarden van de synthese, waardoor consistentie ondanks deze gevoeligheid aangetoond. Met betrekking tot actieve soorten inkapseling, hoewel eenvoudig in termen van de procedure, inkapseling blijkt te zijn gevoelig voor de voorwaarden van het experiment (volgorde van toevoeging, pH van toevoeging, milieu-omstandigheden), echter consistentie in materiaal eigenschappen weer haalbaar is.

De synthese voorwaarden kunnen worden gewijzigd door het gebruik van de verschillende additieven, veel van die elders zijn gepubliceerd,15 biedt een scala aan morphologies en porosities. Verder, na synthetische technieken te wijzigen en chemisch bioinspired silica materialen op maat zijn gemeld zoals mild zuivering13 en oppervlak amine decoratie. 20 tot slot vanwege de milde, waterige aard van de synthese, in situ inkapseling is mogelijk voor een breder scala van substraten dan die hier gedemonstreerd, variërend van enzymen17,18 tot hele cellen,21 metalen zouten, actieve farmaceutische ingrediënten van22 ,23 en quantum dots. 24

In tegenstelling tot andere organische-gemedieerde silica syntheses (zoals de MCM-41 of SBA-15 familie van materialen) besteld het multifunctionele karakter van de bioinspired additieven niet produceren porie structuren, noch uiterst monodispers deeltjesgrootte distributies Karakteristiek Stöber-type siliciumdioxide. 25 dit is te wijten aan het ontbreken van welomschreven micellization gedrag van bioinspired additieven (buiten bijzondere gevallen)26 in combinatie met hun verhoogde katalytische activiteit over monofunctional amine-bevattende additieven. 26

Aan de andere kant, maakt deze multifunctionele additieve aard het gebruik van kortere reactietijden en milder temperatuur & Druk ten opzichte van de synthese van andere organische-gemedieerde silica. Dit leidt ook tot de mogelijkheid van kamertemperatuur additieve-elutie zoals hierboven beschreven, die nog moet worden bereikt voor deze andere silica gezinnen als gevolg van de specifieke kenmerken van hun oppervlakte chemie. 27 , 28 , 29 daarom bioinspired silica materialen is gebleken om zowel economischer en praktisch om te produceren op een grotere schaal, wat leidt tot gemakkelijker commercialisering en ontwikkeling. 14

Kortom vertegenwoordigt bioinspired silica synthese een snelle, facile methode voor de productie van actieve soorten ondersteunt of gas sorptiemiddel media. Door strakke controle van pH tijdens en na de reactie, kan een breed scala van silica-amine composieten gesynthetiseerd worden met verschillende eigenschappen, die is verder aangevuld met de mogelijkheid van in situ inkapseling van een matrix van verschillende biologische, bio-organische of anorganische materialen. Hoewel onafhankelijke post synthetische wijziging van bioinspired additieve en encapsulant concentratie nog worden bereikt moet, vertegenwoordigen deze methoden een veelbelovende stap in de richting van milieuvriendelijke chemische processen.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De auteurs bedanken de financiële steun van het departement van chemische en biologische Engineering (Universiteit van Sheffield) en de EPSRC (EP/L017059/1 en EP/P006892/1).

Materials

Silica synthesis
Sodium silicate pentahydrate Fisher scientific 10070470
Pentaethylene hexamine (PEHA) Sigma-Aldrich 292753
Diethylenetriamine (DETA) Sigma-Aldrich D93856 Toxic
Triethylenetetraamine (TETA) Sigma-Aldrich 90460
Poly(ethyleneimine) (PEI) Polysciences 6088 1.2K MW
Poly(allylamine hydrochloride) (PAH) Sigma-Aldrich 283215 17.5k MW
Bovine Serum Albumin (BSA) Sigma-Aldrich A2153
Hydrochloric acid (HCl) 1M Fisher Scientific 10487830
Silicomolybdic acid assay
Ammonium molybdate tetrahydrate Sigma-Aldrich A7302 Product replaced by M1019
Hydrochloric acid (HCl) 37.0%wt Fluka Analytical 84436
Anhydrous oxalic acid Sigma-Aldrich 75688
Para-aminophenol sulphate Fisher Scientific 10446880
Sodium sulphite Fisher Scientific 10234400
Sulphuric acid Sigma-Aldrich 84727
Bradford assay
Bradford reagent Sigma-Aldrich B6916
Equipment
Autotitrator Titrando 902 Metrohm 2.902.0010
801 magnetic stirrer plate Metrohm 2.801.0040 For use with above
800 Dosino Metrohm 2.800.0010 For use with above
Aquatrode Plus Metrohm 6.0253.100 For use with above
Centrifuge Sorvall ST16 Thermo Scientific 11814243 Code is for Fisher scientific
UV-Vis spectrophotometer Genesys 10A Thermo scientific 12104972 Code is for Fisher scientific
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Swaisgood, H. E. The use of immobilized enzymes to improve functionality. Proteins Food Process. , 607-630 (2004).
  2. Hartmann, M., Kostrov, X. Immobilization of enzymes on porous silicas – benefits and challenges. Chem Soc Rev. 42 (15), 6277 (2013).
  3. Hudson, S., Cooney, J., Magner, E. Proteins in Mesoporous Silicates. Angew Chemie Int Ed. 47 (45), 8582-8594 (2008).
  4. Hanefeld, U., Gardossi, L., Magner, E. Understanding enzyme immobilisation. Chem Soc Rev. 38 (2), 453-468 (2009).
  5. Magner, E. Immobilisation of enzymes on mesoporous silicate materials. Chem Soc Rev. 42 (15), 6213-6222 (2013).
  6. Rodrigues, R. C., Ortiz, C., Berenguer-Murcia, &. #. 1. 9. 3. ;., Torres, R., Fernández-Lafuente, R. Modifying enzyme activity and selectivity by immobilization. Chem Soc Rev. 42 (15), 6290-6307 (2013).
  7. Forsyth, C., Patwardhan, S. V. . Bio-Inspired Silicon-Based Materials. 5, (2014).
  8. Luckarift, H. R., Spain, J. C., Naik, R. R., Stone, M. O. Enzyme immobilization in a biomimetic silica support. Nat Biotechnol. 22 (2), 211-213 (2004).
  9. Betancor, L., Luckarift, H. R. Bioinspired enzyme encapsulation for biocatalysis. Trends Biotechnol. 26 (10), 566-572 (2008).
  10. Livage, J., Coradin, T., Roux, C. Encapsulation of biomolecules in silica gels. J Phys Condens Matter. 13 (33), R673-R691 (2001).
  11. Hartmann, M., Jung, D. Biocatalysis with enzymes immobilized on mesoporous hosts: the status quo and future trends. J Mater Chem. 20 (5), 844 (2010).
  12. Carlsson, N., Gustafsson, H., Thörn, C., Olsson, L., Holmberg, K., Åkerman, B. Enzymes immobilized in mesoporous silica: A physical-chemical perspective. Adv Colloid Interface Sci. 205, 339-360 (2014).
  13. Manning, J. R. H., Yip, T. W. S., Centi, A., Jorge, M., Patwardhan, S. V. An Eco-Friendly, Tunable and Scalable Method for Producing Porous Functional Nanomaterials Designed Using Molecular Interactions. ChemSusChem. 10 (8), 1683-1691 (2017).
  14. Drummond, C., McCann, R., Patwardhan, S. V. A feasibility study of the biologically inspired green manufacturing of precipitated silica. Chem Eng J. 244, 483-492 (2014).
  15. Patwardhan, S. V. Biomimetic and bioinspired silica: recent developments and applications. Chem Commun. 47 (27), 7567-7582 (2011).
  16. Iler, R. K. . The Chemistry of Silica: Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties and Biochemistry of Silica. , (1979).
  17. Forsyth, C., Yip, T. W. S., Patwardhan, S. V. CO2 sequestration by enzyme immobilized onto bioinspired silica. Chem Commun (Camb). 49 (31), 3191-3193 (2013).
  18. Forsyth, C., Patwardhan, S. V. Controlling performance of lipase immobilised on bioinspired silica. J Mater Chem B. 1 (8), 1164 (2013).
  19. Bradford, M. M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal Biochem. 72 (1-2), 248-254 (1976).
  20. Ewlad-Ahmed, A. M., Morris, M. A., Patwardhan, S. V., Gibson, L. T. Removal of formaldehyde from air using functionalized silica supports. Environ Sci Technol. 46, 13354-13360 (2012).
  21. Yang, S. H., Ko, E. H., Jung, Y. H., Choi, I. S. Bioinspired functionalization of silica-encapsulated yeast cells. Angew Chemie. 50 (27), 6239-6242 (2011).
  22. Alotaibi, K. M., et al. Iron supported on bioinspired green silica for water remediation. Chem Sci. 8 (1), 567-576 (2017).
  23. Davidson, S., Lamprou, D. A., Urquhart, A. J., Grant, M. H., Patwardhan, S. V. Bioinspired Silica Offers a Novel, Green, and Biocompatible Alternative to Traditional Drug Delivery Systems. ACS Biomater Sci Eng. 2 (9), 1493-1503 (2016).
  24. Patwardhan, S. V., Perry, C. C. Synthesis of enzyme and quantum dot in silica by combining continuous flow and bioinspired routes. Silicon. 2 (1), 33-39 (2010).
  25. Nozawa, K., et al. Smart control of monodisperse stöber silica particles: Effect of reactant addition rate on growth process. Langmuir. 21 (4), 1516-1523 (2005).
  26. Belton, D. J., Patwardhan, S. V., Annenkov, V. V., Danilovtseva, E. N., Perry, C. C. From biosilicification to tailored materials: optimizing hydrophobic domains and resistance to protonation of polyamines. Proc Natl Acad Sci U S A. 105 (16), 5963-5968 (2008).
  27. de Ávila, S. G., Silva, L. C. C., Matos, J. R. Optimisation of SBA-15 properties using Soxhlet solvent extraction for template removal. Microporous Mesoporous Mater. 234, 277-286 (2016).
  28. Cassiers, K., Van Der Voort, P., Vansant, E. F. Synthesis of stable and directly usable hexagonal mesoporous silica by efficient amine extraction in acidified water. Chem Commun. (24), 2489-2490 (2000).
  29. Tanev, P. T., Pinnavaia, T. J. Mesoporous Silica Molecular Sieves Prepared by Ionic and Neutral Surfactant Templating: A Comparison of Physical Properties. Chem Mater. 8 (8), 2068-2079 (1996).

Tags

Bioinspired SilicaFunctional SilicaRapid SynthesisEnzyme EncapsulationPH-dependent Silica FormationSodium SilicatePentaethylene HexamineHydrochloric Acid

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Manning, J. R., Routoula, E., Patwardhan, S. V. Preparation of Functional Silica Using a Bioinspired Method. J. Vis. Exp. (138), e57730, doi:10.3791/57730 (2018).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image