Synthese und Charakterisierung von amphiphilen Gold-Nanopartikeln
Summary
Amphiphile Gold-Nanopartikel können in vielen biologischen Anwendungen eingesetzt werden. Ein Protokoll zur Synthese von Gold-Nanopartikeln, die durch eine binäre Mischung von Liganden beschichtet sind, und eine detaillierte Charakterisierung dieser Partikel werden vorgestellt.
Abstract
Gold-Nanopartikel, die mit einer Mischung aus 1-Oktanethiol (OT) und 11-Mercapto-1-undecane-Sulfonsäure (MUS) bedeckt sind, wurden aufgrund ihrer Wechselwirkungen mit Zellmembranen, Lipid-Doppelschichten und Viren ausgiebig untersucht. Die hydrophilen Liganden machen diese Partikel in wässrigen Lösungen kolloidstabil und die Kombination mit hydrophoben Liganden erzeugt ein amphiphiles Teilchen, das mit hydrophoben Medikamenten beladen werden kann, mit den Lipidmembranen verschflüssigt wird und unspezifischen Proteinadsorption. Viele dieser Eigenschaften hängen von der Größe der Nanopartikel und der Zusammensetzung der Ligandenschale ab. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, eine reproduzierbare synthetische Methode und zuverlässige Charakterisierungstechniken zu haben, die die Bestimmung der Nanopartikeleigenschaften und der Ligandenschalenzusammensetzung ermöglichen. Hier wird eine einphasige chemische Reduktion, gefolgt von einer gründlichen Reinigung zur Synthese dieser Nanopartikel mit Durchmessern unter 5 nm, vorgestellt. Das Verhältnis zwischen den beiden Liganden auf der Oberfläche des Nanopartikels kann durch ihr stöchiometrisches Verhältnis, das während der Synthese verwendet wird, abgestimmt werden. Wir zeigen, wie verschiedene Routinetechniken wie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Kernspinresonanz (NMR), thermogravimetrische Analyse (TGA) und ultraviolett-sichtbare (UV-Vis) Spektrometrie umfassend zu die physikalisch-chemischen Parameter der Nanopartikel charakterisieren.
Introduction
Die Ligandenschale aus Gold-Nanopartikeln kann so konstruiert werden, dass sie verschiedene Eigenschaften aufweist, die angewendet werden können, um Herausforderungen in der Biomedizin zu bewältigen1,2,3,4. Eine solche Vielseitigkeit ermöglicht die Kontrolle der intermolekularen Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln und Biomolekülen5,6,7. Hydrophobizität und Ladung spielen eine entscheidende Rolle, ebenso wie andere Oberflächenparameter, die beeinflussen, wie Nanopartikel mit Biomolekülen5,8,9interagieren. Um die Oberflächeneigenschaften der Nanopartikel zu optimieren, bietet die Wahl der Thiolatemoleküle, aus denen die Ligandenschale besteht, eine Vielzahl von Möglichkeiten, je nach den angestrebten Eigenschaften. Zum Beispiel wird eine Mischung aus Ligandenmolekülen mit hydrophoben und hydrophilen(z.B.geladenen) Endgruppen häufig verwendet, um amphiphile Nanopartikel10,11zu erzeugen.
Ein prominentes Beispiel für diese Art von Nanopartikeln wird durch eine Mischung aus OT und MUS (nachfolgend MUS:OT-Nanopartikel genannt) geschützt, die nachweislich viele relevante Eigenschaften besitzt12,13,14. Erstens ist die kolloidale Stabilität der Nanopartikel mit einer Ligandenschalenzusammensetzung von 66% MUS (nachfolgend 66:34 MUS:OT) hoch und erreicht bis zu 33% Gewicht in entionisiertem Wasser sowie in phosphatgepufferter Salzsäure (1x, 4 mM Phosphat, 150 mM NaCl)15. Darüber hinaus fallen diese Partikel nicht bei relativ niedrigen pH-Werten aus: So bleiben diese Nanopartikel bei pH 2,3 und bei Salzkonzentrationen von 1 M NaCl15monatelang kolloidal stabil. Das stoichiometrische Verhältnis zwischen den beiden Molekülen auf der Ligandenschale ist wichtig, da es die kolloidale Stabilität in Lösungen mit einer hohen Ionenstärkediktiert 16.
Es hat sich gezeigt, dass diese Teilchen die Zellmembran durchqueren, ohne sie über einen energieunabhängigen Weg1,12zu durchqueren. Die spontane Verschmelzung zwischen diesen Teilchen und Lipid-Doppelschichten liegt ihrer Diffusivität durch Zellmembranenzugrunde 17. Der Mechanismus hinter dieser Wechselwirkung ist die Minimierung des Kontakts zwischen einer hydrophoben lösungsmittelzugänglichen Oberfläche und Wassermolekülen bei der Fusion mit Lipid-Doppelschichten18. Im Vergleich zu All-MUS-Nanopartikeln (Nanopartikel, die nur den MUS-Ligand auf ihrer Schale haben) erhöht die höhere Hydrophobie bei gemischten MUS:OT-Nanopartikeln (z. B. bei einer MUS:OT-Zusammensetzung von 66:34) die Spannweite des Kerndurchmessers, der mit Lipid verschmelzen kann. Doppelschichten18. Verschiedene Selbstmontage-Organisationen der Ligandenschale korrelieren im Vergleich zu All-MUS-Partikeln19mit unterschiedlichen Bindungsmodi von 66:34 MUS:OT-Nanopartikeln mit verschiedenen Proteinen wie Albumin und Ubiquitin. Kürzlich wurde berichtet, dass 66:34 MUS:OT-Nanopartikel als antivirales Breitspektrum-Mittel verwendet werden können, das die Viren aufgrund multivalenter elektrostatischer Bindungen von MUS-Liganden und nichtlokalen Kopplungen von OT-Liganden an Kapsid irreversibel zerstört. Proteine14. In all diesen Fällen wurde festgestellt, dass der hydrophobe Gehalt sowie die Kerngröße der Nanopartikel bestimmen, wie diese Bio-Nano-Wechselwirkungen stattfinden. Diese vielfältigen Eigenschaften von MUS:OT-Nanopartikeln haben viele Computersimulationsstudien veranlasst, die darauf abzielten, die Mechanismen zu klären, die den Wechselwirkungen zwischen MUS:OT-Partikeln und verschiedenen biologischen Strukturen wie Lipid-Bilayern20zugrunde liegen.
Die Herstellung von MUS:OT-geschützten Au-Nanopartikeln stellt einige Herausforderungen dar. Erstens sind der geladene Ligand (MUS) und der hydrophobe Ligand (OT) nicht mischbar. Daher muss die Löslichkeit der Nanopartikel und der Liganden bei der Synthese sowie bei der Charakterisierung berücksichtigt werden. Darüber hinaus beeinflusst die Reinheit der MUS-Ligandmoleküle – insbesondere der Gehalt an anorganischer Salze im Ausgangsmaterial – die Qualität, Reproduzierbarkeit sowie die kurz- und langfristige kolloidale Stabilität der Nanopartikel.
Hier wird eine detaillierte Synthese und Charakterisierung dieser Klasse von amphiphilen Gold-Nanopartikeln skizziert, die durch eine Mischung aus MUS und OT geschützt sind. Ein Protokoll zur Synthese des negativ geladenen MUS-Ligands soll die Reinheit und damit die Reproduzierbarkeit verschiedener Nanopartikelsynthesen gewährleisten. Dann wird das Verfahren zur Erzeugung dieser Nanopartikel, basierend auf einer gemeinsamen einphasigen Synthese, gefolgt von einer gründlichen Reinigung, ausführlich berichtet. Verschiedene notwendige Charakterisierungstechniken21, wie TEM, UV-Vis, TGA und NMR, wurden kombiniert, um alle notwendigen Parameter für weitere biologische Experimente zu erhalten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Protokoll beschreibt zunächst die Synthese von MUS-Ligand und dann die Synthese und Charakterisierung von amphiphilen MUS:OT-Gold-Nanopartikeln. Die Synthese von MUS mit minimalem Salzgehalt ermöglicht eine bessere Zuverlässigkeit des stoichiometrischen Verhältnisses zwischen den Liganden während der Nanopartikelsynthese, die ein Schlüsselfaktor für die reproduzierbare Synthese von MUS:OT-Nanopartikeln mit einem Ziel hydrophoben ist. Inhalt (Abbildung 8). Die Verwendung von Met…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Z.P.G. und F.S. danken dem Schweizerischen Nationalfonds und insbesondere NCCR ‘Molecular Systems Engineering’. Z.L. und F.S. danken der Unterstützung des Stipendiums der Abteilung II des Schweizerischen Nationalfonds. Alle Autoren danken Quy Ong für fruchtbare Diskussionen und für das Korrekturlesen des Manuskripts.
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 |
Referências
- 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).
