Fabrikation af sfæriske og orm-formet Micellar nanokrystaller ved at kombinere Electrospray, samlesæt, og opløsningsmiddelbaseret struktur kontrol
Summary
Den nuværende arbejde beskriver en metode til at fremstille micellar nanokrystaller, en spirende større klasse af nanobiomaterials. Denne metode kombinerer top-down electrospray, bottom-up samlesæt, og opløsningsmiddelbaseret struktur kontrol. Metoden fabrikation er stort set konstant, kan producere produkter af høj kvalitet og har en billig midler til struktur kontrol.
Abstract
Micellar nanokrystaller (micelles med indkapslede nanokrystaller) er blevet en spirende større klasse af nanobiomaterials. Vi beskriver en metode til at opdigte micellar nanokrystaller baseret på kombinere top-down electrospray, bottom-up samlesæt, og opløsningsmiddelbaseret struktur kontrol. Denne metode involverer først bruger electrospray til at generere ensartet ultrafine flydende dråber, hver især fungerer som en mikro-reaktor i som samlesæt reaktion opstår danner micellar nanokrystaller, med strukturer (micelle form og nanocrystal indkapsling) kontrolleres af den organiske opløsningsmidler anvendes. Denne metode er i høj grad løbende og producerer produkter af høj kvalitet micellar nanocrystal med en billig struktur kontrol tilgang. Ved hjælp af en vand-blandbar organisk opløsningsmiddel tetrahydrofuran (THF), kan orm-formet micellar nanokrystaller fremstilles på grund af opløsningsmiddel-induceret/lettet micelle fusion. Sammenlignet med den fælles sfæriske micellar nanokrystaller, kan orm-formet micellar nanokrystaller tilbyde minimeret uspecifikke cellulære optagelse, hvilket vil øge biologiske målretning. Af co indkapsling flere nanokrystaller ind hver micelle, kan multifunktionelle eller synergistiske virkninger opnås. Nuværende begrænsninger af denne fabrikation metode, som bliver en del af det fremtidige arbejde, omfatter primært ufuldkommen indkapsling i micellar nanocrystal produkt og ufuldstændigt kontinuerlig karakter af processen.
Introduction
Nanokrystaller semiconductor quantum dots (QDs) og superparamagnetisk jernoxid nanopartikler (SPIONs) har vist stort potentiale for biologiske påvisning, billedbehandling, manipulation og terapi1,2, 3,4,5,6. Indkapsle en eller flere nanokrystaller i en micelle har været en meget anvendt metode til at interface nanokrystaller med biologiske miljøer3,6. De saaledes dannede micellar nanokrystaller (micelles med nanokrystaller indkapslet) er blevet en ny klasse af nanobiomaterials7,8,9,10. Almindeligt anvendte metoder til at fremstille micelles, der indkapsler forskellige materialer (fxnanokrystaller, lille molekyle narkotika og farvestoffer) omfatter film hydrering, dialyse, og flere andre7,11.
Den nuværende arbejde beskriver en metode til at opdigte micellar nanokrystaller baseret på kombinere top-down electrospray, bottom-up samlesæt, og opløsningsmiddel-medieret strukturelle kontrol. Sammenlignet med andre metoder, fabrikation af micellar nanokrystaller, vores metode tilbyder flere gavnlige egenskaber: (1) det er en stort set sammenhængende produktionsproces. Denne funktion er primært at electrospray bruges i vores metode til at danne emulsion dråber. Derimod bruger nogle andre metoder vortexing eller ultralydbehandling for at danne emulsion dråber, hvorved disse metoder batchprocesser i karakteren12. (2) det fremgår i produkter med høj vand-dispersibility, fremragende kolloid stabilitet og intakt fysiske funktioner af den indkapslede nanokrystaller. Denne proces kan ofte give produkter med overlegen kvalitet sammenlignet med andre micelle indkapsling metoder, i vid udstrækning, fordi electrospray kan danne ultrafine og ensartet emulsion dråber. (3) strukturerne af produkter, herunder micelle form og antal indkapslede nanokrystaller, kan kontrolleres af opløsningsmidler, som er langt mere billig sammenlignet med andre metoder til kontrol såsom skiftende amphiphilic polymerer, der anvendes, og kan producere ikke kun de almindeligt tilgængelige sfæriske micelle form men ormelignende micelle form via micelle fusion13. Således dannet orm-formet micellar nanokrystaller er fundet at tilbyde høj grad reduceret ikke-specifikke cellulære optagelse end sfæriske modparter13. På den anden side er det værd at påpege, at denne metode kræver installation af en electrospray enhed, som noget mere teknisk krævende (selv om langt fra prohibitive) end savn i instrumentation i de andre metoder.
Fabrikation metoden indebærer først genererer ultrafine flydende (ofte olie-i-vand emulsion) dråber med ensartede størrelser af electrospray, efterfulgt af fordampning af organisk opløsningsmiddel resulterer i samlesæt til at danne micellar nanokrystaller (figur 1 ). Opsætningen electrospray har en koaksial konfiguration ved hjælp af koncentriske nåle: olie-fase, som indeholder amphiphilic blok copolymerer og hydrofobe nanokrystaller opløst i organisk opløsningsmiddel, er leveret til den indre nål (27 G rustfrit stål kapillarrør ) med en sprøjte pumpe; vand-fase, som indeholder et overfladeaktivt stof opløses i vand, er leveret til den ydre nål (20 G rustfrit stål trevejs-connector) med en anden sprøjten pumpe. En høj spænding er anvendt til koaksial dysen. Ultrafine dråber med ensartede størrelser genereres elektrodynamiske kraft overvinde overfladespænding og inertial stress i væsken. Hver dråbe hovedsagelig fungerer som et “mikro-reaktor’, hvor, efter fjernelse af det organiske opløsningsmiddel ved fordampning, den samlesæt ‘reaktion’ opstår spontant på grund af hydrofobe interaktioner. Ved hjælp af forskellige organiske opløsningsmidler fører til forskellige strukturer i micellar nanokrystaller: en vand-blandbare organisk opløsningsmiddel chloroform fører til sfæriske micelle form, mens vand-blandbar organisk opløsningsmiddel THF med en lang reaktionstid fører til orm-lignende Micelle form sammen med forbedret nanocrystal indkapsling.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metoden fabrikation af micellar nanokrystaller beskrevet i den nuværende arbejde kombinerer top-down electrospray, bottom-up samlesæt, og opløsningsmiddelbaseret struktur styre. En effektiv og praktisk kvalitetskontrolmetoden er at bruge Taylor kegle dannet på den koaksiale dyse spids. Dette er fordi en korrekt udformet Taylor kegle angiver balance (eller i nærheden af balance) mellem elektrisk kraft og overfladespænding, hvilket igen viser succesfuld dannelse af mikro-reaktorer (ensartet ultrafine dråber) for den…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne parlamentsarbejdet for økonomisk støtte til en “Tusinde unge globale talenter” award fra den kinesiske centralregering, “Shuang Chuang” award fra Jiangsu Provincial regering, opstartsfond fra College of Engineering og Applied Videnskaber, Nanjing University, Kina, award fra “Tian-Di” Foundation, tilskud fra de prioriterede akademiske Program udvikling fond af Jiangsu videregående institutioner (PAPD), tilskud fra fondens Jiangsu provinsen naturvidenskab.
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). |
Referências
- 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).
