JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Divulgaciones
Acknowledgements
Materials
Referencias
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Quimica

Подготовка функциональной кремнезема, с помощью метода Bioinspired

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

Summary

Здесь мы представляем протокол синтезировать bioinspired кремнеземные материалы и иммобилизации ферментов в нем. Кремний синтезируется путем объединения силиката натрия и Амин «добавка», которые нейтрализуют руемой скорости. Свойства материалов и функции могут быть изменены в situ иммобилизации фермента или пост синтетических кислотных элюции инкапсулированные добавок.

Abstract

Цель протоколов, описанные здесь является синтезировать bioinspired кремнеземные материалы, выполнять инкапсуляцию фермента нем и частично или полностью очистить то же самое, кислоты элюции. Объединив силиката натрия с полифункциональных bioinspired добавка, кремнезема быстро формируется в условиях окружающей среды после нейтрализации.

Изучено влияние нейтрализации скорость и биомолекулы Добавление точки на урожайность кремнезема, и биомолекулы иммобилизации эффективность сообщается на различные добавления точки. В отличие от других методов синтеза пористых кремнезема показано, что мягкая условия, необходимые для синтеза bioinspired кремнезема полностью совместимы с инкапсуляцией деликатный биомолекул. Кроме того мягкий условия используются во всех синтез и модификация шаги, делая bioinspired кремнезема перспективных мишенью для масштабирования и коммерциализации как голые материал и активной поддержке среднего.

Синтез показано очень чувствительна к условиям, т.е. показатель нейтрализации и окончательного синтеза рН, однако плотный контроль над этими параметрами проявляется посредством использования методов автоматического титрования, приводит к высокой воспроизводимости в реакция прогрессии путь и урожайность.

Таким образом bioinspired кремнезема-выбор отличный активный материальной поддержки, показывая универсальность многих текущих приложений, не ограничиваясь теми показали здесь, и потенции в будущих приложений.

Introduction

Использование силики как структурную поддержку для промышленных катализаторов хорошо организованной, позволяя для улучшения катализатора деятельности, стабильности и технологичность,1 , следовательно, потенциально уменьшая эксплуатационные затраты. Эти пособия усугубляются в случае иммобилизации фермента, как хранения в рамках системы пор кремния может придать значительные выгоды на фермент жизни над его бесплатно коллегой. Соответственно много усилий было потрачено в поиске лучший способ прикрепить ферменты кремнезема видов, с несколько отзывов, сравнивая расследований с использованием различных методов иммобилизации на кремниевые твердых поддержках. 2 , 3 , 4

Ферментов обычно крепятся через physisorption или ковалентного, помимо инкапсуляции внутри пористого материала. 5 тем не менее, есть существенные недостатки, связанные с каждым методом: physisorption опирается на переходные поверхности взаимодействия между кремнезема и биомолекулы, который очень легко может быть ослаблена в результате условий реакции, ведущие к неприемлемым фермент выщелачивания. Гораздо сильнее ковалентных вложение обычно приводит к нижней активности из-за снижения конформационные свободу активных видов. Инкапсуляция может привести к снижение активности фермента недоступность или диффузионным ограничения. 6

Недавние события в области синтезов мягкий кремний (часто называют «bioinspired») создали в situ инкапсуляции биомолекул и других активных видов во время синтеза материала. 7 , 8 , 9 этот метод устраняет многие из недостатков обычных иммобилизации – в отличие от подходов химисорбция конформационные свободу биомолекулы поддерживается использование слабых нековалентных взаимодействий, но как поры полости формы вокруг биомолекулы, выщелачивание является по-прежнему мешают. Действительно инкапсуляции была продемонстрирована возможность работать для ряда биомолекул и даже целые клетки,10 и путем инкапсуляции в bioinspired кремнезема эффекты, такие как отключение из-за суровых процесса можно избежать условий. 7 , 11

Цель метода, описанного в настоящем документе – подготовить пористого кремния с управляемыми свойствами, при температуре окружающей среды, с помощью bioinspired органические добавки. Метод может быть легко изменен для включения инкапсуляции биоорганических или неорганических молекул, выбор которого должны быть показаны. Далее мы покажем снисходительный метод для изменения как синтезированных материалов для достижения желаемого объемных свойств и очистки путем удаления органических шаблон через кислоты элюции.

По сравнению с традиционными синтез шаблонного пористого кремния поддерживает (например,кремнеземные материалы шаблонного через супрамолекулярные ПАВ сборки как MCM-41 или SBA-15)12 , которую этот метод значительно быстрее и мягче, позволяя с учетом, в situ инкапсуляции без необходимости многочисленные шаги иммобилизации и трудоемкий очистки. Кроме того использование кислотных элюции вместо прокаливания открывает возможность органических Функционализация поверхности.

Этот метод является весьма применима для тех, кто работает в иммобилизации активных видов, которые нашли physisorption или ковалентной иммобилизации оказались неэффективными. Это также полезно для тех, кто исследования процесса наращивания как синтез bioinspired располагает уникальными возможностями для индустриализации, по сравнению с обычными шаблонного кремнеземные материалы. 13 , 14 этот метод не рекомендуется использовать для приложений, которые требуют упорядоченный массив поры внутри материала например,фотоники, как структура материала неупорядоченных несмотря на любое сходство в объемных свойств.

Protocol

1. Подготовка решений прекурсоров (и Факультативный герметиком решения) В пластиковый контейнер 180 мл измерить 1,5 ммоль пентагидрат Силикат натрия (318.2 мг) и растворяют в 20 мл деионизованной воды. Аналогичным образом в второй контейнер, измерения 0,25 ммоль pentaethylene гексамина (Пьеха, 58.1 мг) и растворяют в 20 мл деионизованной воды. При использовании альтернативных Амин содержащих соединений например,diethylenetriamine (Дета) или triethylenetetraamine (тета), убедитесь, что общая Si:N моль соотношение остается неизменным на 1 (т.е. соответствующий 0.5 ммоль DETA или 0.375 ммоль тета в Описанная процедура)15. При использовании полимерных Амин добавки например,poly(ethyleneimine) (PEI) или poly(allylamine hydrochloride) (ПАУ), поддержание концентрации 1 мг/мл (окончательный реакции объем)15.Предупреждение: Обрабатывайте эти амины только внутри Зонта, поскольку они являются коррозионными или токсичные в их чистых формах (особенно в виде паров). Выполнять в ситу инкапсуляции во время синтеза, распустить заранее определенной массы белка (здесь 50 мг бычьим сывороточным альбумином, BSA) в 5 мл деионизованной воды. Вычтите этот объем воды из объема деионизированной воды, чтобы использоваться для растворения пентагидрат Силикат натрия. Чтобы облегчить распада белка без изменения его структуры, после смешивания с дейонизированной водой, крышка контейнера и хранить при 4 ° C. Проверка иногда прогресс, растворения, желательно без перемешивания. 2. кремнезема синтез Объединить решения пентагидрат силиката натрия и Пьеха в одном из 180 мл контейнер и добавить достаточно деионизированной воды, чтобы сделать окончательный решения объем 41 мл (или 46 Если опущен в situ инкапсуляция). Поместите смесь свежеприготовленные силиката натрия и Пьеха решений на вершине пластины мешалкой, добавив баром мешалкой для обеспечения последовательного смешивания. В этот сосуд приостановить рН зонд и записывать первоначального рН. На данном этапе при необходимости, удалите 750 мкл Алиготе начальной смеси для последующего определения концентрации первоначального [си], используя синяя молибденовый спектрофотометрические assay, как описано в шаге 8.1. Начинается синтез, добавив заранее количество 1 M HCl, рассчитывается из рисунка 1и наблюдать за немедленное эволюции мутность (см. Рисунок 2) Как только добавление кислоты закончилась, добавить решение герметиком (если таковые имеются) как можно быстрее.Примечание: Окончательный объем, учитывая эти количества — 50 мл суммарная реакция смеси, приводит к концентрации Си и N 30 мм. Это может быть расширена как пожелано путем умножения все выше количествах на постоянную величину. Запишите рН после 5 минут для определения реакции завершения; Убедитесь, что pH 7 ± 0,05. 3. кислоты элюции материалов После реакции достиг завершения (или как сделал как сгусток resuspending предыдущих синтезированных образец кремния) путем добавления дальнейших кислоты, измените состав производства кремния. Если resuspending кремнезема, смешать примерно 150 мг-подготовила bioinspired кремния с 100 мл обессоленной воды в пластиковый контейнер, 180 мл и место на вершине пластины мешалкой. После приостановки хорошо перемешиваются, приостановите рН зонд в сосуде. Титруйте в дальнейших HCl, пока не будет достигнуто желаемого pH (между 7 и 2) и позволяют стабилизировать для ca. 1 мин. Для обеспечения системы полностью достижение равновесного уровня, а затем приступить к изолировать твердых кремния, подождите еще 5 мин. 4. кремнезема разделения и сушки Декант суспензии кремнезема bioinspired в 50 мл пробирок. Центрифуга для подвески на 5000 g за 15 мин. Удалите супернатант после центрифугирования и хранилище для дальнейшего анализа (например, assay Брадфорд, см. ниже). Пополняйте пробирок с дейонизированной водой и вновь приостановить кремнезема, используя вихревой смеситель. Повторите дважды центрифугирования, супернатанта хранения и ресуспендирования. После окончательного центрифугирования удалить супернатант и циклюют кремнезема в керамический тигель. Сухой в духовке на ночь на 85 ° C. Если инкапсуляции имело место, используйте Плаурайта объекта или духовкой, действующих под вакуумом во избежание денатурации белков. 5. производство молибдена синий реагента (MBR) для определения [си] Для пластиковых объемные колба 1 Л добавьте 8 ммоль (10 g) аммония молибдата тетрагидрат в вытяжной шкаф. Это растворяют в 500 мл деионизированной воды при помешивании. Подкислять раствор, тщательно добавив 60 мл раствора HCl 10 М. Окончательного громкость до 1 л. 6. производство пункт Аминофенол сульфат восстанавливающего агента (RA) для определения [си] Место стеклянную колбу объемные 500 мл на водяной бане при температуре на плите мешалки в вытяжной шкаф. Добавьте 111 ммоль (10 g) безводная щавелевой кислоты, 19,5 ммоль (3.35 g) пункт Аминофенол сульфат, и 16 ммоль (2 g) сульфит натрия и растворяют в 250 мл воды. Тщательно и медленно добавить 92 g (50 мл) насыщенные серной кислоты, помешивая и ждать решения для охлаждения. Наконец разбавляют до 500 мл деионизированной водой. 7. Silicomolybdic кислота Assay на виды мономерных кремнезема В пластиковом флаконе 5 мл разбавляют 300 мкл MBR производится на шаге 5.4 с 3 мл деионизованной воды. 10 мкл раствора кремниевой кислоты тестирования и трясти смешивать.Примечание: Это решение будет медленно желтеть. После ровно 15 мин добавьте 1,6 мл восстанавливающего агента, из раздела 6 готовы сократить желтый silicomolybdate комплекс синий изомер. Разрешить синий цвет для разработки для по крайней мере 2, но не более 24 ч. Измерение оптической плотности образца на 810 Нм в Спектрофотометр UV-vis и вычислить [си] против калибровочной кривой. 8. Silico молибденовая кислота Assay на виды полимерных кремнезема Для измерения концентрации polysilicate видов, с помощью метода синяя молибденовый в пробки microcentrifuge, объедините 750 мкл раствора гидроксида натрия 2 М с 750 мкл суспензии кремнезема. Печать и место в microcentrifuge float. Убедитесь, что достаточно headspace осталось в трубе, во избежание разрыва за счет повышения давления.Примечание: Headspace 500 мкл обычно достаточно избежать этого. Кроме того процедура может осуществляться в открытые флаконы пока приходится жидкой потери в результате испарения. Плавать microcentrifuge трубы в ванне с водой, подогретой до 80 ° C и оставить его растворить 1 h. По истечении 1 h удалить microcentrifuge трубы и протрите насухо вне. После охлаждения, [си] может быть определена как описано выше, как описано в шагах 7.2 до 7,5. 9. Брэдфорд Assay процедура для определения концентрации белка в кремнезема Вставить определенное количество реагента (комнатной температуры) Брэдфорд и образец в каждой назначенной кювета (см. в таблице 1 и таблице 2 для определенных томов). Используйте одноразовые наконечники для каждого кювет чтобы избежать изменения объема в связи с характером реагента и повторите каждой точки в трех экземплярах. Mix каждый кювет инвертирование 3 раза и оставить для разработки 10 мин. Измерение оптической плотности на 595 Нм, с использованием чистого супернатанта как пустой. Вычислить оригинальные absorbance каждого кювет путем вычитания из каждого измерения оптической плотности, найденных для управления образца (кювет № 0 в обоих анализов). Рассчитайте концентрацию белка неизвестных образца с помощью калибровочной кривой (рис. 3). В случае разведение исходного образца коэффициент разрежения должен учитываться. Создайте Калибровочная кривая для каждого набора экспериментов, построения измерения поглощения против концентрации BSA, чтобы избежать случайных колебаний, которые могут повлиять на пробу на чувствительность. Хотя этот assay протеина предназначен для использования BSA как стандарт для количественного определения любого типа белка, создайте Калибровочная кривая для каждого конкретного протеин интереса для повышения точности. Если содержание белка неизвестный образец, как ожидается, будет выше, чем охватывает спектр калибровочной кривой, развести его при необходимости. Определите содержание белка для каждой выборки во время ре подвеска для мониторинга возможных протеина потери.

Representative Results

Методы, описанные выше в состоянии последовательно и герметизации осадок кремнезема. Это легче всего определить путем быстрого наступления мутности в реакционный сосуд, который после прекращения агитации будет спонтанно поселиться в толстый сгусток осажденного диоксида кремния (рис. 2). Степень реакции и, следовательно, доходность может быть подтверждена измерения массы этот сгусток после разделения и является как правило 58 ± 6,5% (Рисунок 4, желтый). Еще глубже проанализировать ход реакции могут быть получены путем адаптации синяя молибденовый спектроскопический метод для обнаружения количество непрореагировавшего мономерных силикатных пород, а также тех видов, которые отреагировали на polysilicates или «олигомеров», но не удалось достичь достаточного размера для коагуляции (Рисунок 4, красный и синий соответственно). Этот конкретный кремнезема видообразования данных представляет особый интерес при сравнении эффективности различных титрования для реакции осадки – т.е. как достигается окончательное реакции рН и скорость, с которой это влияет полимеризации мономерных кремния для «олигомера» и его последующее коагуляции для твердых кремния. Изменяя количество кислоты, добавил в стадии 2.4 слегка, под – или над – titration реакционной смеси может быть выполнено (рис. 5). Путем измерения кремнезема видообразования снова для этих двух случаев, четкое различие можно увидеть в реакции завершения (Рисунок 4) Несмотря на незначительные изменения в профиль титрования реакции (рис. 5). Хотя никакой разницы между потребление мономерных видов для реакции трех случаев (остальные между 29-33%), существует четкое различие в размере олигомерных кремнезема видов, который в каждом конкретном случае. Это согласуется с традиционной теории кремнеземов золь гель – в случае «перенапряжение» что pH проводится выше для больше, позволяя для индивидуальных частиц расти и следовательно пособничество эффективной коагуляции; в случае «выброс» коагуляции индуцируется гораздо быстрее из-за быстрого титрования поэтому меньше кремния видов выросли до достаточного размера, чтобы коагулируют и остаются в ловушке в коллоидной фазе. 16 Учитывая важность титрование на формирование кремнезема, априори знание соответствующих титрования тома имеет важное значение. Хотя не может быть извлечена от стехиометрии реакции из-за поведения сложных протонирование Амин добавок и изменения поверхности кремнезема кислотности на коагуляцию, высоконадежное эмпирических взаимосвязей между системы содержимое, концентрации и титр тома являются легко создается (рис. 1). По завершении коагуляции материала поверхности могут быть легко изменены с помощью кислоты элюции, как недавно сообщалось авторы других. 13 это позволяет тонкой настройки свойств материала, например, состав, пористость и химическая активность добавки (рис. 6a и b). В этом исследовании BSA был использован в качестве образцового герметиком фермента, однако, описанные здесь методы могут использоваться для нескольких ферментов17,18. Процедура, используемая для обнаружения белка является протокол assay Брадфорд,19 с помощью supernatants хранится от каждого цикла центрифугирования. Количество белка в надосадке вычисляется с помощью калибровочной кривой, созданный из известных количество BSA, растворенного в надосадке образца с нулевым содержанием белка (пример элемента управления). Количество белка, инкапсулируются в кремний будет рассчитываться путем вычитания обнаруженных белка в supernatants от первоначального количества белка добавил. Только реагентов, необходимых для анализа является Брэдфорд реагента (закуплены или согласно стандартных рецептов). Существует три типа анализа формата, в зависимости от объема выборки, ожидаемое количество белка, чтобы быть обнаружены и используется метод измерения. Здесь после формат указан для спектрофотометр, требует одноразовые кюветы макро и микро размера и может обнаружить от 10 мкг/мл до 1,4 мг/мл белка. На рисунке 7 показано количество белка, обнаруженных после каждой стирки (шаг 4.3) как % от суммы первоначального белка (которая была 50 мг). Около ~ 50% BSA был обнаружен в надосадке после первого центрифугирования, который относится к иммобилизации ~ 50% эффективности. Как там было не BSA обнаруженные в следующем моет, BSA (или любой другой фермент) могли инкапсулироваться надежно во время синтеза кремния с не выщелачивания – это значительное преимущество этого метода. Для того, чтобы подтвердить наличие BSA в кремний производства, был проведен анализ Фурье преобразование инфракрасной спектроскопии (FTIR). Наличие характерных полос Амида I и II в области 1500/см и 1650/см (рис. 8) в образцах подготовлен присутствии БСА, но не в элементе управления образцов (не BSA) подтвердил наличие BSA в твердых телах. Помимо метода сложения фермента, описанные выше (BSA добавлены при нейтрализации реакционной смеси) существуют другие возможные варианты например,BSA дополнение во время смешивания силиката и аддитивные решения, до нейтрализации или фермента добавляется силикатного или добавки перед их смешивания и нейтрализации. Некоторые из этих возможностей были изучены дальнейшие и эффективность иммобилизации (масса BSA прикол как доля фермента добавляется реакции системы, рассчитанные на основе assay Брадфорд) и количество BSA в заключительном кремнезема измеренных ( концентрация BSA в кремнезема в процентах от общего веса композитного производства, см. Рисунок 9). Было ясно, что когда BSA был добавлен к непрореагировавшего реагентов (случаи A-C на рис. 9) было без значительных различий в эффективности иммобилизации или количество BSA в результате композита. Однако когда BSA добавлены во время формирования кремнезема (дело D на рис. 9), эффективность обездвиживания и количество BSA в конечном продукте оба были значительно ниже. Несмотря на эти различия среднее количество кремния производства остается неизменным (между 85-90 мг). Эти наблюдения могут быть объяснены на основе ионизации (или Изоэлектрическая точка) BSA, силикат/кремнезема и добавки. Различные методы добавления позволяют различных взаимодействий между прекурсоров энзима и кремнезема. Как pH во время добавления фермента изменений ионизации каждого вида определит межмолекулярных взаимодействий, которые в свою очередь будет контролировать эффективность обездвиживания. No кювет Концентрация BSA (мг/мл) Брэдфорд реагента (мл) Пример (мл) 0 0 (контроль) 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 Неизвестный образец (X) 1.5 0.05 Таблица 1: настройки макросов Брэдфорд пробирного и вычисляемый компонент томов. Действительны для определения диапазона 0.1-1.4mg/mL (тома 1 репликации) No кювет Концентрация BSA (мкг/мл) Брэдфорд реагента (мл) Пример (мл) 0 0 (контроль) 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 Неизвестный образец (X) 1 1 Таблица 2: микро Брэдфорд пробирного set-up и вычисляемый компонент томов. Действителен для определения диапазона 1-10 мкг/мл (тома 1 репликации) Рисунок 1 : Необходимый объем титра антител против концентрации кремнезема реакции систем с помощью DETA или Пьеха как добавка. Кремний был синтезирован в различных концентрациях при сохранении [N]: [си] соотношение 1, для двух различных присадок химических веществ. Планки погрешностей, одно стандартное отклонение вокруг среднего значения.  Рисунок 2 : Фотографии сгусток кремнезема в реакционный сосуд () и (b) после агитации, демонстрируя помутнение раствора и урегулирования, что свидетельствует об оптимальной реакции.   Рисунок 3 : Образцового Калибровочная кривая для assay Брадфорд макрос. Супернатант от bioinspired кремнезема синтеза в отсутствие BSA смешивается с известным количеством белка, после чего проводится анализ Брэдфорд, как описано в шаге 9.1. Рисунок 4 : Окончательной полимеризации государства видов кремния для различных условий реакции. Кремний синтезируется с помощью условий оптимального (базовый уровень), а также как с над – или недостаточного титрования, после чего концентрация относительной кремнезема количественно для мономерные или димерной Силикаты (красный), polysilicate «олигомеров» (синий) и нестабильной свертываясь кремний (желтый). Рисунок 5 : Прогрессирования рН через реакции системы в зависимости от объема первоначальных титр. Кислота немедленно дозированной после ca. 38s смешивания, вызывая pH быстро снизится до ниже 8. Потом далее количество кислоты автоматически дозируются такие, что pH 7,0 ± 0,05 300s после первоначального добавления. В случае чрезмерной титрования, это не достижимо, как начальная доза достаточна для падение рН ниже 7, достигнув рН 6,65 после 300s. Первоначальный объем HCl добавили для «перенапряжение,» «базовый», и «выброс» 6,90, 7.05 и 7.20 мл соответственно. Рисунок 6 : Представитель свойства изменения после подкисления коагулированного кремнезема материала. () изменения концентрации добавки в отношении pH и (b) изменение пористости кремнезема в отношении рН. Приводимый от Manning et al. 13 под лицензией Creative Commons.  Рисунок 7 : Концентрация BSA в bioinspired кремнезема синтеза supernatants. Брэдфорд анализы проводились на реакции supernatants после центрифугирования, из которого был определен относительный объем оставшихся (поэтому закрыта от синтезированных кремния). Рисунок 8 : Анализ ФУРЬЕ на bioinspired кремния с и без активных видов инкапсуляции. Спектров показали: черная линия: bioinspired кремнезема, серая линия: чистый BSA, синяя линия: bioinspired кремнезема загружается с BSA. Вертикальные пунктирные линии указывают характерные амидной группы.  Рисунок 9 : Эффективность обездвиживания и количество BSA в композиционных материалах для кремния производится с помощью Пьеха. BSA был добавлен (A) в растворе Пьеха до смешивания с силикат, (B) в растворе силиката до смешивания с Пьеха, (C) после первоначального смешивания Пьеха и силикатных решений, и (D) после смешивания Пьеха и силикатных решения и нейтрализации. Эффективность измеряется как % BSA инкапсулированные из реакционной смеси как доля общего BSA добавил, в то время как BSA в кремний означает % концентрация BSA в окончательном кремнезема композита по массе. Планки погрешностей, одно стандартное отклонение вокруг среднего значения.

Discussion

В текущей работе мы представляем метод для быстрого осаждения bioinspired кремнеземные материалы и инкапсуляции биомолекул нем. Мы демонстрируем важные шаги в рамках процедуры, а именно количество инициирования реакции кислоты, чтобы быть добавлены и сроков введения в биомолекулы герметиком. Мы Показать эффект кислоты дополнение суммы на реакции прогрессии и урожайности (рис. 4 и 5 рисунок, соответственно) и продемонстрировал метод для жесткого контроля над условий синтеза, позволяя для обеспечения согласованности, несмотря на эту чувствительность. Что касается активных видов инкапсуляции, хотя простой с точки зрения процедуры, инкапсуляции показано быть чувствительным к условиям эксперимента (порядок добавления, рН сложения, условия окружающей среды), однако, последовательность в материал свойств снова достижимо.

Условия синтеза могут быть изменены с помощью различных добавок, многие из которых были опубликованы в другом месте,15 , предоставляя широкий спектр морфологии и пористости. Кроме того, после синтетические методы для изменения и химически портной bioinspired кремнеземные материалы поступили такие украшения Амин13 и поверхность мягкой очистки. 20 наконец, благодаря мягким, водный характер синтеза, в situ инкапсуляции возможно более широкий спектр субстратов, чем те, которые продемонстрировали здесь, начиная от ферментов17,18 до целых ячеек,21 Металлические соли, активных фармацевтических ингредиентов22 ,23 и квантовых точек. 24

В отличие от других синтезы органических опосредованной кремнезема (например, MCM-41 или SBA-15 материалов) полифункциональный характер bioinspired, что добавки не может производить приказал поровой структуры, ни высоко монодисперсных распределения размера частиц характеристика кремния Stöber типа. 25 это из-за отсутствия четко определенных мицеллообразования поведение bioinspired добавки (вне особых случаев)26 в сочетании с их возросшая активность катализатора над монофункциональный Амин содержащих добавки. 26

С другой стороны этот полифункциональных добавок характер позволяет использовать короче время реакции и мягкие температуры и давления по сравнению с другими синтезы органических опосредованной кремнезема. Это также приводит к возможности комнатной температуре добавка элюции как описано выше, которых предстоит достичь для этих других семей кремнезема из-за специфики их химии поверхности. 27 , 28 , 29 следовательно, bioinspired кремнеземные материалы было показано более практичный и экономичный производить в более широком масштабе, приводит к легче коммерциализации и развития. 14

В резюме bioinspired кремнезема синтез представляет метод быстрым, легким для производства активных видов поддерживает или газ сорбента СМИ. Через жесткий контроль pH во время и после реакции широкий спектр кремнезема аминов композиты могут быть синтезированы с различными свойствами, который далее дополняется возможность на месте инкапсуляции массива различных органических, неорганические, или био органические материалы. Хотя независимый пост синтетических модификации bioinspired присадок и герметиком концентрации еще предстоит достичь, эти методы представляют собой многообещающий шаг на пути к экологически безопасные химические процессы.

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы благодарят финансовую поддержку от Департамента химических и биологических Engineering (Университет Шеффилд) на всей территории отеля и в EPSRC (EP/L017059/1 и 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

Referencias

  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
Citar este artículo
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).
Descargar cita
Reimpresiones y permisos

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image