Dette arbejde præsenterer en protokol til fremstilling natrium tungstate og natrium molybdat mikrokapsler via bakterier og deres tilsvarende nanopartikler.
Vi præsenterer en metode, den bakterielle mineral udskillelse (BME), for syntese af to slags mikrokapsler, natriumwolframat og natriummolybdat og to metaloxider tilsvarende nanopartikler — tidligere at være så lille som 22 nm og de sidstnævnte 15 nm. Vi fodres to stammer af bakterier, Shewanella alger og Pandoraea sp., med forskellige koncentrationer af tungstate eller molybdat ioner. Koncentrationerne af tungstate og molybdat blev justeret for at gøre mikrokapsler af forskellige længde-til-diameter nøgletal. Vi fandt, at jo højere koncentrationen jo mindre nanopartikler var. Nanopartikler kom ind med tre længde-til-diameter nøgletal: 10:1, 3:1 og 1:1, som blev opnået ved at fodre bakterier henholdsvis med en lav koncentration, en medium koncentration og en høj koncentration. Billeder af de hule mikrokapsler blev taget via scanning electron microsphere (SEM). Deres krystal strukturer blev verificeret ved røntgen diffraktion (XRD) — krystalstruktur af molybdat mikrokapsler er Na2MoO4 og tungstate mikrokapsler er Na2WO4 med Na2W2O7. Disse sammenstillinger alle blev udført under en i nærheden af omgivende tilstand.
Metal metaloxid udnyttes for drug delivery1, bygge kunstige ben2, Heterogen katalyse3, field emission4,5, solceller6, gas sensorer7, og lithium batterier8. For praktiske anvendelser, den mekaniske styrke af både nanokrystaller og deres mikrostruktur er afgørende. Blandt mikrostrukturer, kan hule shell strukturer bruges til at oprette letvægts, mekanisk robust materialer9. Blandt hule shell strukturer, er en kugleform kendt for at være mere stift end en elliptisk form; sidstnævnte har en større længde-til-diameter-forhold end tidligere10,11. Dette arbejde beskriver en protokol for syntese sfæriske mikrokapsler via bakterier med en ikke-toksiske metode under en omgivende tilstand, som står i kontrast med de alternative metoder, herunder skabelon syntese metode12 ultralyd-spray-assisteret syntese metode13 og hydrotermiske metode14. Nogle af de alternative metoder kræver skabeloner12, nogle en temperatur så højt som 500 ° C13, og nogle højt tryk14. Som for den deraf følgende struktur, metoden skabelon syntese udnytte skabelonen gær bringer om en kerne-shell struktur15, i stedet for én med en enkelt væg, og som anvender skabelonen E. coli producerer en struktur med længde-til-diameter-forhold i 1.7:0.8, og er ikke sfæriske. 16.
I dette arbejde, har vi gjort metaloxid mikrokapsler med en enkelt væg og kugleform under en omgivende tilstand ved at udnytte bakteriel stofskifte. I bakterielle glykolyse, en kemisk proces, der metabolizes carbon kilder, som glucose og lactose, betragtes carbon kilder oprindelsen af den reducerende effekt genereret deri. Vi manipuleret bakteriel metabolisme ved at justere koncentrationen af CO2 kilder at nå ønskede mål. Denne metode er miljøvenlige, ved hjælp af ikke-giftige agenser og bruger meget mindre strøm, elektricitet. Endelig, denne metode giver mulighed for masseproduktion af mikrokapsler blot ved at øge mængden af bouillon.
Forud for metoden, der har været en anden to metoder udnytte bakteriel stofskifte at gøre mineraler: biologisk induceret mineralisering (BIM)17 og biologisk kontrolleret mineralisering (BCM)18. Hverken BIM eller BCM kan bruges til at gøre natrium tungstate og molybdat tungstate mikrokapsler ligesom vores proces, der er udpeget som bakteriel mineral udskillelse (BME)19. I dette eksperiment, form af mikrokapsler kan kontrolleres for at have en længde-til-diameter-forhold fra 10:1 til 1:1, og størrelsen af nanopartikel korn formularen skaller kan justeres spænder fra 15 nm til 110 nm.
Hvad angår self-konsekvens af de eksperimentelle resultater er forberedelse og multiplikation af monoklonale bakterier kritisk. Dette eksperiment, forskellig fra den skabelon syntese eksperimenter15,16, ansat bioaktive gram-negative bakterier. For at få en enkelt væg, valgte vi prokaryote bakterier i stedet for eukaryote bakterier som gær15. For at opnå en kugleform med en længde-til-diameter-forhold på 1:1, i stedet for en større længde-til-diameter-forhold16, fodret vi bakterier med en langt højere koncentration af oxyanions til at manipulere dem til at skrumpe ind en kugleform, hvilket gør mikrokapsler med en enkelt, runde og tynde væg (< 30 nm).
Da BME afhængig hovedsagelig justere koncentrationen af oxyanions til at styre metabolismen af bakterierne, funktioner det to begrænsninger. For det første, koncentrationen af oxyanions er begrænset af opløselighed, selvom koncentrationen skal være så højt som muligt. Andet, mest bakteriel metabolismer vil stoppe ved en temperatur over 45 ° C eller under 5 ° C, henholdsvis øvre og nedre grænser for vores eksperiment.
Trods disse to begrænsninger rummer BME store muligheder for at gøre metaloxid materialer af praktisk interesse. For at underbygge denne påstand fremlagde vi prøve denne metode for at gøre zirconium mikrokapsler og jern mikrokapsler — den tidligere at være en god kandidat materiale til kunstige knogler, og sidstnævnte for drug delivery.
The authors have nothing to disclose.
Under dette arbejde er støttet af Ministeriet for videnskab og teknologi, Taiwan, Kina, give nummer mest 105-2221-E-011-008, og også af avanceret-Connectek Inc., Taipei, Taiwan, ROC kontrakt nummer RD Ref. nr. 6749 og Dept. Ref. nr. 011 gennem den Gradueret Institut for elektro-optisk teknik, National Taiwan University of Science og technology.
LB(Lennox)broth with agar tablets | Sigma-Aldrich | L7075 | 1 tablet for 50 mL broth with agar |
LB (Lennox) broth | Sigma-Aldrich | L3022-1KG | LB (Lennox) powder 1 kg |
Dextrose anhydrous | Nihon Shiyaku Reagent | PL 78695 | glucose |
Sodium Tungstate | Nihon Shiyaku Reagent | PL 76050 | Na2WO4 · 2H2O |
Sodium Molybdate | Nihon Shiyaku Reagent | PL103564 | Na2MoO4 · 2H2O |
Sodium Chloride | Nihon Shiyaku Reagent | PL 68131 | NaCl |
Ethanol 99.5% | Acros organics | AC615090040 | CH3CH2OH |
Water | Made in our university | de-ionlized water | |
Autoclave | Tomin Medical Equipmenco, Ltd., Taipei City, Taiwan, ROC | TM-329 | heat to 120 °C for 10 min |
Centrifuge | Digit System Laboratory System, New Taipei City, Taiwan, ROC | DSC302SD | centrifuge at 2025 x g |
-80 °C Refrigerator | Panasonic | MDF-U3386S | Use to deep-freeze cryopreserve strain |
Ultrasonic Homogenizer Sonicator Processor Cell Disruptor | Lenox | UPS-150 | frequency 20 KHz power 150 W |
Incubator | Customer made | custom made | heat to 40 °C or cool to 18 °C with time cotrol |
Reciprocal shaking baths | Kingtech Scientific Co., Ltd | WBS-L | |
Digital Stirring Hot Plate | Corning | #6797-620D | use with PTFE magnetic stirring bar |
Biosafety cabinet | Zong Yen co., LTD | ZYBH-420 | All bacteria related process are done here |
Scanning electron microscope | JEOL | JSM-6500F | SEM Images |
50 mL centrifudge tube | Falcon | 14-432-22 | |
15 mL centrifudge tube | Falcon | 14-959-53A | |
Laboratory bottle 100 mL | Duran | 21 801 24 5 | |
Laboratory bottle 500 mL | Duran | 21 801 44 5 | |
Stainless steel spatula | Chemglass | CG-1981-10 | |
PTFE Disposable Stir Bars | Fisher | S68066 | |
Plastic Petri Dishes | Fisher | S33580A | |
Shewanella algae | Courtesy of author #3 | Courtesy of author #3 | |
Pandoraea sp. | Courtesy of author #3 | Courtesy of author #3 |