Amphiphilik altın nanopartiküller sentezi ve karakterizasyonu
Summary
Birçok biyolojik uygulamada, amphiphilik altın nano-artiküller kullanılabilir. Bir protokol, ligin ikili karışımı ve bu partiküllerin ayrıntılı bir karakterizasyonu ile kaplı altın nanoboya maddeleri sentezlemek için sunulmuştur.
Abstract
1-octanethiol (OT) ve 11-mercapto-1-undecane sülfonik asit (MUS) karışımı ile kaplı altın nanopartiküller, hücre membranları, lipid bilayers ve virüsler ile etkileşimleri nedeniyle kapsamlı bir şekilde incelendi. Hidrofilik ligler, sulu çözümlerde bu partiküllerin koloridally kararlı hale ve hidrofobik ligler ile kombinasyon hidrofobik ilaçlar ile yüklenebilir bir amphiphilik parçacık oluşturur, lipid Membranlar ile sigorta, ve nonspesifik karşı karşı protein adsorpsiyon. Bu özelliklerin çoğu nanopartikül boyutu ve ligand kabuk bileşimi bağlıdır. Bu nedenle, nanopetiklerin özelliklerinin ve ligand kabuk bileşiminin belirlenmesine izin veren tekrarlanabilir sentetik bir yöntem ve güvenilir karakterizasyon teknikleri olması çok önemlidir. Burada, bir fazlı kimyasal azaltma, tam bir arıtma tarafından takip 5 Nm altında çapları ile bu nano maddeler sentezlemek için, sunulmuştur. Nanomadde yüzeyinde iki Ligat arasındaki oran sentezleme sırasında kullanılan onların stoichiometrik oranı ile ayarlanabilir. İletim Elektron Mikroskopisi (TEM), nükleer manyetik rezonans (NMR), termogravimetrik analiz (TGA) ve ultraviyole görünür (UV-vis) spektrometrisi gibi çeşitli rutin tekniklerin kapsamlı olarak nasıl birleştirildiğini gösteriyoruz nanopartiküller fizikokimyasal parametrelerini karakterize.
Introduction
Altın nanopartiküller ligand kabuğu biometine1,2,3,4sorunları gidermek için uygulanabilir birkaç farklı özellikleri sergiler için tasarlanabilmektedir. Bu tür çok yönlülük nanopartiküller ve biyomoleküllerin5,6,7arasındaki moleküler etkileşimlerin kontrolünü sağlar. Hydrophobicity ve Charge, Nanopartiküllerin biyomoleküllerin5,8,9ile nasıl etkileşeceğini etkileyen diğer yüzey parametrelerinin yanı sıra belirleyici bir rol oynar. Nanopartiküllerin yüzey özelliklerini ayarlamak için, ligand kabuğu yapan tiyolat moleküllerinin seçimi, tercihlere göre sayısız olasılık sunar. Örneğin, hidrophobic ve hidrofilik (örn., şarj edilmiş) son gruplar ile ligand moleküllerin bir karışımı genellikle amphiphilik nanopartiküller oluşturmak için kullanılır10,11.
Nanopartiküller bu tür önemli bir örnek ot ve mus karışımı ile korunmaktadır (bundan sonra mus denir: ot nanopartiküller) Bu birçok ilgili özelliklere sahip olduğu gösterilmiştir12,13,14. İlk olarak, bir ligand kabuk bileşimi ile 66% MUS (bundan sonra 66:34 MUS: OT), nanopartiküller koloidal istikrar yüksektir, kadar ulaşan 33% deiyonize suda ağırlığı, yanı sıra fosfat-tamponlu tuzlu (1x, 4 mM fosfat, 150 mM NaCl)15. Dahası, bu parçacıklar nispeten düşük pH değerlerinde ÇÖKTÜRMEZ: Örneğin, pH 2,3 ve tuz konsantrasyonları 1 M NaCl15ile, bu nanopartiküller aylar boyunca kolloidally kararlı kalır. Ligand kabuğu üzerindeki iki molekül arasındaki stoichiometrik oranı önemlidir, çünkü yüksek iyonik mukavemet16ile çözümlerde koloidal istikrarı belirler.
Bu parçacıklar, enerji bağımsız bir yolu1,12 üzerinden , onu porating olmadan hücre membranı geçiş gösterilmiştir. Bu parçacıklar ve lipid bilayers arasındaki spontan füzyon hücre membranları ile Yayınım Altlar17. Bu etkileşimin arkasındaki mekanizma, lipid bilayers18ile füzyon üzerine hidrofobik solvent erişimine uygun yüzey alanı ile su molekülleri arasındaki temas minimizasyonu. All-MUS nanopartikülleri (nanopartiküller sadece MUS ligand kendi kabuk) ile karşılaştırıldığında, karışık MUS üzerinde yüksek hidrofobiklik: OT nanopartiküller (örneğin, bir 66:34 MUS: OT bileşimi) lipid ile sigortalı çekirdek çapı span artar bilayers18. Ligand kabuğu farklı Self-montaj örgütleri 66:34 mus farklı bağlama modları ile ilişkilidir: çeşitli proteinler ile ot nano maddeler, albümin ve Ubiquitin gibi, tüm-mus parçacıkları karşılaştırıldığında19. Son zamanlarda, bu 66:34 MUS bildirildi: OT nano-artiküller bir geniş spektrumlu antiviral ajan olarak kullanılabilirler, çünkü geri dönülemez, MUS ligizlerinin multivalent elektrostatik bağları ve OT ligizlerinin yerel olmayan bağlantı elemanlarının kapsid ‘e kadar virüslerini yok eder. protein14. Tüm bu durumlarda, hidrofobik içeriğin yanı sıra nanopartiküller çekirdek büyüklüğü, bu Bio-nano etkileşimlerin nasıl gerçekleşeceğini belirler bulunmuştur. MUS: OT nanopartiküllerinin bu çeşitli özellikleri, MUS: OT parçacıkları ve lipid bilayers20gibi çeşitli biyolojik yapılar arasındaki etkileşimlerin altını çizen mekanizmaları açıklığa kavuşturmak amacıyla birçok bilgisayar simülasyonu çalışması istemiştir.
MUS: OT korumalı au nanopartiküller hazırlanması birkaç zorluk oluşturmaktadır. İlk olarak, şarj edilmiş ligand (MUS) ve hidrofobik ligand (OT) immiscible. Böylece, nanopartiküller ve ligin çözünürlüğü sentezleme boyunca dikkate alınması gerekir, yanı sıra karakterizasyonu sırasında. Ayrıca, MUS ligand moleküllerinin saflığı-özellikle, başlangıç malzemesindeki inorganik tuzların içeriği-kalite, yeniden Üretilebilirlik, Nanopartiküllerin kısa ve uzun dönemli kolloidal stabilitesini etkiler.
Burada, MUS ve OT karışımı ile korunan bu sınıf, amphiphilik altın nano-artiküller hakkında ayrıntılı bir sentez ve karakterizasyonu özetlenmiştir. Negatif olarak şarj edilen MUS liginin sentezine yönelik bir protokol, saflığı sağlamak için bildirilmiştir ve bu nedenle, farklı nano madde sentezinin yeniden üretilebilirliği. Daha sonra, bu nanopartiküller oluşturmak için prosedür, yaygın bir tek fazlı sentezine dayalı, ayrıntılı arıtma takip, ayrıntılı olarak bildirilir. Diğer biyolojik deneyler için gerekli tüm parametreleri elde etmek üzere TEM, UV-Vis, TGA ve NMR gibi çeşitli gerekli karakterizasyon teknikleri21‘ i birleştirilmiştir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol ilk olarak MUS ligand sentezi ve ardından, amphiphilik MUS sentezini ve karakterizasyonu: OT altın nano-artiküllerini açıklar. En az tuz içeriğine sahip mus synthesizer, nanopetikler sentezi sırasında ligler arasında stoichiometrik oranın daha iyi güvenilirliğini sağlar, bu da mus ‘un tekrarlanabilir sentezi için önemli bir faktördür: bir hedef hidrofobik ile ot nanopartikülleri (Şekil 8). MUS ve OT için ortak bir solvent olarak metanol kullanımı, etanol pa…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Z.P.G. ve F.S. Isviçre Ulusal Bilim Vakfı ve özellikle, NCCR ‘ moleküler Sistem Mühendisliği ‘ teşekkür ederiz. Z.L. ve F.S. Isviçre Ulusal Bilim Vakfı Division II hibe desteği teşekkür ederiz. Tüm yazarlar verimli tartışmalar için ve el yazması redaksiyon için Quy Ong teşekkür ederiz.
Materials
| 11-bromo-1-undecene | Sigma Aldrich | 467642-25 ml | |
| Sodium Sulfite | Sigma Aldrich | S0505-250 g | |
| Benzyltriethyl-ammonium bromide | Sigma Aldrich | 147125-25 g | |
| Methanol | VWR | BDH1135-2.5 LP | |
| DI water | Millipore | ZRXQ003WW | Deionized water |
| 1 L round bottom flask | DURAN | 24 170 56 | |
| Diethyl ether | Sigma Aldrich | 1.00930 EMD Millipore | |
| Stirring bar | Sigma Aldrich | Z329207, | |
| Dow Corning High Vacuum Grease | Sigma Aldrich | Z273554 ALDRICH | |
| Filtering flask | DURAN | 20 201 63 | |
| Filtering Buchner Funnel | FisherSci | 11707335 | |
| Ethanol >99.8%, ACS, Reagent | VWR | 2081.321DP | |
| Deuterium dioxide | Sigma Aldrich | 151882 ALDRICH | |
| Thioacetic acid 96% | Sigma Aldrich | T30805 ALDRICH | |
| Carbon black | Sigma Aldrich | 05105-1KG | |
| Celite | Sigma Aldrich | D3877 SIGMA-ALDRICH | Filtration medium |
| Condenser | Sigma Aldrich | Z531154 | |
| Hydrochloric acid, ACS reagent 37% | Sigma Aldrich | 320331 SIGMA-ALDRICH | |
| Sodium Hydroxide, BioXtra, pellets (anhydrous) | Sigma Aldrich | S8045 SIGMA-ALDRICH | |
| Centrifuge tubes | VWR | 525-0155P | |
| 250 mL round bottom flask | DURAN | 24 170 37 | |
| 500 mL round bottom flask | DURAN | 24 170 46 | |
| Nitric acid, fACS reagent 70% | Sigma Aldrich | 438073 SIGMA-ALDRICH | |
| Gold(III) chloride trihydrate >99.9% trace metal basis | Sigma Aldrich | 520918 ALDRICH | |
| 1-octanethiol >98.5% | Sigma Aldrich | 471836 ALDRICH | |
| Sodium Borohydride purum p.a.>96% | Sigma Aldrich | 71320 ALDRICH | |
| Separatory funnel | SIgma Aldrich | Z330655 SIGMA | |
| Funnel | DURAN | 21 351 46 | |
| 2V folded filtering papers | Whatman | 1202-150 | |
| Amicon filters | Merck | UFC903024 | |
| Iodine, ACS reagent, >99.8%, solid | Sigma Aldrich | 207772 SIGMA-ALDRICH | |
| 5 mm NMR-Tubes, Type 5HP (high precision) | Armar | 32210.503 | Length 178 mm |
| Methanol-d4 99.8 atom%D | Armar | 16400.2035 | |
| TGA crucible | Thepro | 9095-9270.45 | |
| 400 mesh carbon supported copper grid | Electron Microscopy Science | CF400-Cu | |
| quartz cuvette | Hellma Analytics | 100-1-40 |
References
- Verma, A., et al. Effect of surface properties on nanoparticle-cell interactions. Small. 6 (1), 12-21 (2010).
- Yeh, Y. -. C., et al. Gold nanoparticles: preparation, properties, and applications in bionanotechnology. Nanoscale. 4 (6), 1871-1880 (2012).
- Mirza, A. Z. A novel drug delivery system of gold nanorods with doxorubicin and study of drug release by single molecule spectroscopy. Journal of Drug Targeting. 23 (1), 52-58 (2015).
- Mirza, A. Z., et al. Fabrication and characterization of doxorubicin functionalized PSS coated gold nanorod. Arabian Journal of Chemistry. , (2014).
- Nel, A. E., et al. Understanding biophysicochemical interactions at the nano-bio interface. Nature Materials. 8 (7), 543-557 (2009).
- Yeo, E. L. L., et al. Protein Corona around Gold Nanorods as a Drug Carrier for Multimodal Cancer Therapy. ACS Biomaterials Science and Engineering. 3 (6), 1039-1050 (2017).
- Lin, J., et al. Cell membranes open "doors" for cationic nanoparticles/ biomolecules: Insights into uptake kinetics. ACS Nano. 7 (12), 10799-10808 (2013).
- Saha, K., et al. Regulation of Macrophage Recognition through the Interplay of Nanoparticle Surface Functionality and Protein Corona. ACS Nano. 10 (4), 4421-4430 (2016).
- Moyano, D. F., et al. Fabrication of corona-free nanoparticles with tunable hydrophobicity. ACS Nano. 8 (7), 6748-6755 (2014).
- Pengo, P., et al. Gold nanoparticles with patterned surface monolayers for nanomedicine: current perspectives. European Biophysics Journal. 46 (8), 749-771 (2017).
- Kuna, J. J., et al. The effect of nanometre-scale structure on interfacial energy. Nature Materials. 8 (10), 837-842 (2009).
- Verma, A., et al. Surface-structure-regulated cell-membrane penetration by monolayer-protected nanoparticles. Nature Materials. 7 (7), 588-595 (2008).
- Van Lehn, R. C., et al. Lipid tail protrusions mediate the insertion of nanoparticles into model cell membranes. Nature Communications. 5, 4482-4493 (2014).
- Cagno, V., et al. Broad-spectrum non-toxic antiviral nanoparticles with a virucidal inhibition mechanism. Nature Materials. 17 (2), 195-203 (2018).
- Uzun, O., et al. Water-soluble amphiphilic gold nanoparticles with structured ligand shells. Chemical Communications. 2 (2), 196-198 (2008).
- Huang, R., et al. Colloidal stability of self-assembled monolayer-coated gold nanoparticles: The effects of surface compositional and structural heterogeneity. Langmuir. 29 (37), 11560-11566 (2013).
- Carney, R. P., et al. Electrical method to quantify nanoparticle interaction with lipid bilayers. ACS Nano. 7 (2), 932-942 (2013).
- Van Lehn, R. C., et al. Effect of particle diameter and surface composition on the spontaneous fusion of monolayer-protected gold nanoparticles with lipid bilayers. Nano Letters. 13 (9), 4060-4067 (2013).
- Huang, R., et al. Effects of surface compositional and structural heterogeneity on nanoparticle-protein interactions: Different protein configurations. ACS Nano. 8 (6), 5402-5412 (2014).
- Van Lehn, R. C., et al. Free energy change for insertion of charged, monolayer-protected nanoparticles into lipid bilayers. Soft Matter. 10 (4), 648-658 (2014).
- Ong, Q., et al. Characterization of Ligand Shell for Mixed-Ligand Coated Gold Nanoparticles. Accounts of Chemical Research. 50 (8), 1911-1919 (2017).
- Marbella, L. E., et al. NMR techniques for noble metal nanoparticles. Chemistry of Materials. 27 (8), 2721-2739 (2015).
- Templeton, A. C., et al. Reactivity of Monolayer-Protected Gold Cluster Molecules Steric Effects. Journal of American Chemical Society. 120 (8), 1906-1911 (1998).
- Harkness, K. M., et al. A structural mass spectrometry strategy for the relative quantitation of ligands on mixed monolayer-protected gold nanoparticles. Analytical Chemistry. 82 (22), 9268-9274 (2010).
