Summary

פרוטוקול עבור ההפקה של חלקיקי גליאדין-cyanoacrylate לציפוי הידרופיליות

Published: July 08, 2016
doi:

Summary

This article presents a protocol for the production of protein-based nanoparticles that changes the hydrophobic surface to hydrophilic. The produced nanoparticle is an assembly of gliadin-cyanoacrylate diblock copolymers. Spray coating with the produced nanoparticle changes the surface of target material to a hydrophilic surface.

Abstract

מאמר זה מציג פרוטוקול לייצור חלקיקים מבוססי חלבון שמשנה את פני השטח הידרופובי הידרופילי ידי ציפוי ספריי פשוט. חלקיקים אלה מיוצרים על ידי התגובה פילמור של cyanoacrylate אלקיל על פני השטח של מולקולות חלבון דגנים (גליאדין). cyanoacrylate אלקיל הוא מונומר כי polymerizes מיידי ב RT כאשר הוא מוחל על פני השטח של חומרים. התגובה פילמור שלה היא ביוזמת כמויות זעירות של מינים בסיסיים או nucleophilic חלושות על פני השטח, כולל לחות. לאחר polymerized, את cyanoacrylates אלקיל polymerized להראות זיקה חזקה עם חומרי האובייקט בגלל שקבוצות ניטריל נמצאות עמוד השדרה של פולי (cyanoacrylate אלקיל). חלבונים גם לעבוד בתור יוזם פילמור זה משום שהם מכילים קבוצות אמינות שיכול ליזום פילמור של cyanoacrylate. אם חלבון מצטברים משמש כיזמית, במצטבר חלבון מוקף הידרופוביפולי (cyanoacrylate אלקיל) שרשראות לאחר התגובה פילמור של cyanoacrylate אלקיל. על ידי שליטה על תנאי הניסוי, חלקיקים בטווח ננומטר מיוצרים. החלקיקים היוצר בקלות לספוג אל פני השטח של רוב החומרים כוללים זכוכית, מתכת, פלסטיק, עץ, עור, בדים. כאשר פני השטח של חומר הוא רסס עם השעית nanoparticle פיק שטפו עם מים, מבנה micellar של ננו-חלקיקים משנת קונפורמציה שלה, ואת החלבונים הידרופילי נחשפים לאוויר. כתוצאה מכך, השטח מצופה ננו-החלקיקים משתנה הידרופילי.

Introduction

The goal of this article is to show the protocol for the preparation of nanoparticle suspension that modifies the wetting property of materials by a simple spray. The presented nanoparticle suspension is made from alkyl cyanoacrylate1 and a cereal protein, gliadin2,3. During the manufacturing process, protein aggregates are formed in aqueous ethanol4. Subsequent reaction with monomer (alkyl cyanoacrylate) produces the nanoparticle that is comprised of a protein core surrounded by linear polymer chains [poly(alkyl cyanoacrylate)]5.

Poly(alkyl cyanoacrylate)s are biodegradable and have been used for the production of nanoparticles via emulsion polymerization6. This reaction is spontaneously initiated by the hydroxyl groups dissociated from water or by other nucleophilic groups in the reaction medium7. In the case of the reaction presented in this article, the amine groups on the surface of protein aggregates initiate the polymerization reaction of alkyl cyanoacrylate monomers5,8. As a result of this reaction, nanoparticles are formed in the reaction medium. The core of the nanoparticle is protein aggregates and the outer layer is poly(alkyl cyanoacrylate) (PACA) chains. The prepared nanoparticle has a strong affinity on most materials (more precisely, any material which PACA can adsorb to) and adheres onto their surface to form a thin coating on a nanometer scale. A simple spray coating instantly turns the surface of the materials hydrophilic.

Gliadin is one of the main fractions of gluten, which is in the endosperms of wheat. Gliadins are mainly monomeric proteins with molecular weights around 28,000 – 55,000. Non-covalent bonds such as hydrogen bonds, ionic bonds and hydrophobic bonds are responsible for the aggregation of gliadins2. Although gliadin is chosen as a reactant in this article, many other proteins can also be used for the same purpose. However, the reaction condition needs to be modified accordingly because the condition for inducing aggregation is dependent on the type of protein to be employed8. Compared with other proteins, gliadin is more readily available, purification is simple, and production cost is low. Although ethyl cyanoacrylate (ECA) is chosen as a monomer for the presented reaction, other alkyl cyanoacrylates can also be used for the same reaction. The reason for choosing ECA is that it is readily available at low cost.

Protocol

1. Defatting המסחרי גליאדין מדוד 150 מ"ל של אצטון עם גליל סיימה ויוצקים לתוך 250 מ"ל בבקבוק Erlenmeyer. תוך ערבוב עם בר ספין על בוחש מגנטי ב RT, להוסיף 30 גרם של גליאדין אבקה מסחרית. …

Representative Results

חלקיקים יכולים להיות ערוכים תנאי תגובה שונים. צורות גליאדין המצרפי מגוון רחב של אתנול תוכן 5. עם זאת, הגודל של אגרגטים צריך להיות קטן ככל האפשר, כי שכבה נוספת (כלומר., Polymerized ECA) תתווסף מצרף זה ותהליך זה יהפוך את הגודל הסופי גדול. אם הגודל של ה?…

Discussion

There are several critical steps in the production of the nanoparticle suspension. If the purified gliadin contains impurities, the reaction with ECA will produce side products. Although these unwanted products can be removed from the reaction medium during the centrifugation stage, it lowers the yield of the major product. If the gliadin solution prepared during experimental step 2.3) does not show clear separation between supernatant and precipitate after two days, the solution needs to stand for longer time. Using fre…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

תודה למר ג'ייסון אדקינס לקבלת סיוע טכני מומחה.

Materials

Ethyl cyanoacrylate (ECA) monomer K&R International (Laguna Niguel, CA) I-1605 Any pure ECA can be used.
Gliadin MGP Ingredients, Inc (Atchison, KS) Gift from the company Gliadin can be purchased from Sigma-Aldrich (cat #: G3375-25G). Instead of gliadin, any commercial  gluten can be used.
HCl Any Any reagent grade chemical can be used.
Acetone Any Any reagent grade chemical can be used.
Methanol Any Any reagent grade chemical can be used.
Ethanol (100%) Any Any reagent grade chemical can be used.
Filter paper Any Any grade filter paper larger than 10 cm can be used.
Cell culture square dish Any Any dish larger than 20 cm x 20 cm can be used.
Coffee grinder Any Any coffee grinder can be used.
Rotary evaporator Any Any rotary evaporator can be used.
Freeze Dryer Any Any freeze dryer that can reach – 70°C can be used.
Centrifuge Any Any centrifuge that can apply 1000 x g can be used.
Magnetic stirrer Any Any magnetic stirrer that can turn spin bar to 1000 RPM can be used.
Dynamic Light Scattering (DLS) Brookhaven Instruments Corporation NanoBrook Omni Zeta Potential Analyzer DLS from any company can be used.
Scanning Electron Microscope (SEM) Carl Zeiss Inc. Any SEM can be used.
Dynamic Contact Angle (DCA) Thermo Cahn Instruments Any DCA can be used.

Referenzen

  1. Vauthier, C., Dubernet, C., Fattal, E., Pinto-Alphandary, H., Couvreur, P. Poly(alkylcyanoacrylates) as biodegradable materials for biomedical applications. Adv. Drug Deliver. Rev. 55, 519-548 (2003).
  2. Wieser, H. Chemistry of gluten proteins. Food Microbiol. 24, 115-119 (2007).
  3. Bietz, J. A., Wall, J. S. Identity of high molecular weight gliadin and ethanol soluble glutenin subunits of wheat: Relation to gluten structure. Cereal Chem. 57, 415-421 (1980).
  4. Kim, S. Production of composites by using gliadin as a bonding material. J. Cereal Sci. 54, 168-172 (2011).
  5. Kim, S., Kim, Y. Production of gliadin-poly(ethyl cyanoacrylate) nanoparticles for hydrophilic coating. J. Nanopart. Res. 16, 1-10 (2014).
  6. Behan, N., Birkinshaw, C., Clarke, N. Poly n-butyl cyanoacrylate nanoparticles: a mechanistic study of polymerisation and particle formation. Biomaterials. 22, 1335-1344 (2001).
  7. Nicolas, J., Couvreur, P. Synthesis of poly(alkyl cyanoacrylate)-based colloidal nanomedicines. Wiley Interdiscip. Rev. Nanomed. Nanobiotechnol. 1, 111-127 (2009).
  8. Kim, S., Evans, K., Biswas, A. Production of BSA-poly(ethyl cyanoacrylate) nanoparticles as a coating material that improves wetting property. Colloid Surface. B. 107, 68-75 (2013).
  9. Lander, L. M., Siewierski, L. M., Brittain, W. J., Vogler, E. A. A systematic comparison of contact angle methods. Langmuir. 9, 2237-2239 (1993).
  10. Davies, J., Nunnerley, C. S., Brisley, A. C., Edwards, J. C., Finlayson, S. D. Use of Dynamic Contact Angle Profile Analysis in Studying the Kinetics of Protein Removal from Steel Glass, Polytetrafluoroethylene, Polypropylene, Ethylenepropylene Rubber, and Silicone Surfaces. J. Colloid Interf. Sci. 182, 437-443 (1996).
  11. Giolando, D. M. Nano-crystals of titanium dioxide in aluminum oxide: A transparent self-cleaning coating applicable to solar energy. Sol. Energy. 97, 195-199 (2013).
check_url/de/54147?article_type=t

Play Video

Diesen Artikel zitieren
Kim, S. A Protocol for the Production of Gliadin-cyanoacrylate Nanoparticles for Hydrophilic Coating. J. Vis. Exp. (113), e54147, doi:10.3791/54147 (2016).

View Video