Tillverkning av sfäriska och mask-formade Micellar nanokristaller genom att kombinera elektrospray, självmontering och lösningsmedelsbaserade struktur kontroll
Summary
Den nuvarande arbetet beskriver en metod för att fabricera micellar nanokristaller, en framväxande stor klass av nanobiomaterials. Denna metod kombinerar top-down elektrospray, nedifrån och upp-självmontering, och lösningsmedelsbaserade struktur kontroll. Metoden fabrication är i stort sett kontinuerligt kan producera högkvalitativa produkter och besitter ett billigt sätt struktur kontroll.
Abstract
Micellar nanokristaller (miceller med inkapslade nanokristaller) har blivit en framväxande stor klass av nanobiomaterials. Vi beskriver en metod för att fabricera micellar nanokristaller baserat på att kombinera uppifrån elektrospray, nedifrån och upp-självmontering och lösningsmedelsbaserade struktur kontroll. Denna metod innebär först använder elektrospray för att generera enhetliga ultrafina flytande droppar, som fungerar som en mikro-reaktor som självmontering reaktion uppstår bildar micellar nanokristaller, med strukturer (micelle form och fysikalisk inkapsling) kontrolleras av organiska lösningsmedel används. Denna metod är till stor del kontinuerlig och producerar högkvalitativa micellar fysikalisk produkter med en billig struktur kontrollstrategi. Genom att använda en vatten-blandbart organiska lösningsmedel tetrahydrofuran (THF), kan mask-formade micellar nanokristaller produceras på grund av vätska-inducerad/underlättas micelle fusion. Jämfört med den vanliga sfäriska micellar nanokristaller, kan mask-formade micellar nanokristaller erbjuda minimerade ospecifika cellernas upptag, vilket ökar biologisk inriktning. Genom att kapsla in flera nanokristaller tillsammans i varje micelle, kan multifunktionella eller synergistiska effekter uppnås. Nuvarande begränsningar av denna tillverkning metod som kommer att ingå i det framtida arbetet, inkludera primärt ofullkomlig inkapsling i produktens micellar fysikalisk och ofullständigt kontinuerlig arten av processen.
Introduction
Nanokristaller såsom halvledare kvantprickar (QDs) och superparamagnetiska järnoxid nanopartiklar (SPIONs) har visat stor potential för biologisk upptäckt, imaging, manipulation och terapi1,2, 3,4,5,6. Kapsla in en eller flera nanokristaller till en micelle har varit en allmänt använd metod för att gränssnittet nanokristaller med biologiska miljöer3,6. De sålunda bildade micellar nanokristaller (miceller med nanokristaller inkapslade) har blivit en framväxande klass av nanobiomaterials7,8,9,10. Vanliga metoder att fabricera miceller som inkapslar olika material (t.ex., nanokristaller, småmolekylära läkemedel och färgämnen) omfattar film återfuktning, dialys, och flera andra7,11.
Den nuvarande arbetet beskriver en metod för att fabricera micellar nanokristaller baserat på att kombinera uppifrån elektrospray, nedifrån och upp-självmontering och lösningsmedel-medierad strukturella kontroll. Vår metod jämfört med andra metoder för tillverkning av micellar nanokristaller, och erbjuder flera fördelaktiga funktioner: (1) det är en i hög grad kontinuerlig produktionsprocess. Denna funktion är främst på grund av att elektrospray används i vår metod för att bilda emulsionen droppar. Däremot använda några andra metoder vortexa eller ultraljudsbehandling för att bilda emulsionen droppar, vilket gör dessa metoder satsvisa processer i naturen12. (2) det resulterar i produkter med högt vatten-spridbarhet, utmärkt kolloidal stabilitet och intakt fysiska funktioner av den inkapslade nanokristaller. Denna process kan ofta ge produkter med överlägsen kvalitet jämfört med andra micelle inkapsling metoder, till stor del eftersom elektrospray kan bilda ultrafina och enhetlig emulsion droppar. (3) strukturer av produkterna, inklusive micelle form och antal inkapslade nanokristaller, kan styras av lösningsmedlet, vilket är mycket mer billig jämfört med andra sätt att kontrollera till exempel att ändra amfifila polymerer används, och kan producera inte bara den vanliga sfäriska micelle form men maskliknande micelle form via micelle fusion13. De sålunda bildade mask-formade micellar nanokristaller finns att erbjuda kraftigt minskas icke-specifik cellernas upptag än den sfäriska motsvarigheter13. Däremot, är det värt att påpeka att den här metoden kräver installationen av en elektrospray enhet, vilket är något mer tekniskt krävande (även om långt ifrån oöverkomliga) än behovet av instrumentering i de andra metoderna.
Fabrication metoden innebär först generera ultrafina flytande (ofta olja-i-vatten emulsion) droppar med enhetliga storlekar av elektrospray, följt av avdunstning av organiskt lösningsmedel vilket resulterar i självmontering för att bilda micellar nanokristaller (figur 1 ). Elektrospray installationen har en koaxial konfiguration med koncentriska nålar: fasen olja, som innehåller amfifila segmentsampolymerer och hydrofoba nanokristaller löses upp i organiskt lösningsmedel, levereras till inre nålen (27 G rostfritt stål kapillärrör ) med en sprutpump; vattenfasen, som innehåller ett ytaktivt ämne upplöst i vatten, levereras till yttre nålen (20 G rostfritt stål tre-vägs kontakt) med en andra sprutpumpen. En hög spänning appliceras till koaxial munstycket. Ultrafina droppar med enhetliga storlekar genereras på grund av elektrodynamiska kraft att övervinna ytspänningen och tröghetsbaserad stress i vätskan. Varje droppe i huvudsak fungerar som en ‘micro-reaktor’, där, efter borttagning av organiska lösningsmedel genom avdunstning, den självmontering ‘reaktion’ uppstår spontant på grund av hydrofoba interaktioner. Använda olika organiska lösningsmedel leder till olika strukturer av micellar nanokristaller: en vatten-blandbara organiska lösningsmedel kloroform leder till sfäriska micelle form, medan vatten-blandbart organiska lösningsmedel THF med en lång reaktionstid leder till maskliknande micelle form tillsammans med förbättrad fysikalisk inkapsling.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fabrication micellar nanokristaller beskrivas i den nuvarande arbete kombinerar top-down elektrospray, nerifrån självmontering och lösningsmedelsbaserade struktur styra. En effektiv och bekväm kvalitetskontroll metod är att använda Taylor kotten bildades vid koaxial munstycksspetsen. Detta är eftersom en korrekt bildade Taylor kon indikerar balans (eller nära balans) mellan elektrisk kraft och ytspänning, vilket i sin tur indikerar framgångsrika bildandet av mikro-reaktorer (enhetlig ultrafina droppar) för den…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna erkänna tacksamt finansiellt stöd till en ”tusen Young Global Talents” award från kinesiska centralregeringen, en ”Shuang Chuang” award från Jiangsu provinsiella regeringen, startfonden från College of Engineering och tillämpad Vetenskaper, Nanjing University, Kina, award från den ”Tian-Di” Foundation, bidrag från de prioriterade akademiska Program utveckling fond av Jiangsu högre utbildning institutioner (PAPD), bevilja från Jiangsu provinsen naturvetenskap fonden.
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).
