Fabrikasjon av sfærisk og orm-formet Micellar nanokrystaller ved å kombinere Electrospray, selvstendig montering og løsemiddelbaserte struktur kontroll
Summary
Dette arbeidet beskriver en metode for å dikte micellar nanokrystaller, en nye store klasse av nanobiomaterials. Denne metoden kombinerer ovenfra og ned electrospray, opp-selv-montering, og løsemiddelbaserte struktur. Metoden fabrikasjon er hovedsakelig kontinuerlig, kan produsere produkter av høy kvalitet og har en billig måte å struktur kontroll.
Abstract
Micellar nanokrystaller (micelles med encapsulated nanokrystaller) har blitt en nye store klasse av nanobiomaterials. Vi beskriver en metode å fabrikere micellar nanokrystaller basert på kombinere ovenfra og ned electrospray, opp-selvstendig montering og løsemiddelbaserte struktur kontroll. Denne metoden innebærer først bruker electrospray til å generere enhetlig Ultrafin væskedråper, hver fungerer som en mikro-reaktoren som selvstendig montering reaksjon oppstår danner micellar nanokrystaller, med strukturene (micelle form og nanocrystal innkapsling) kontrolleres av organisk løsemiddelet brukes. Denne metoden er hovedsakelig kontinuerlig og produserer høy kvalitet micellar nanocrystal med en billig struktur kontroll tilnærming. Ved å bruke en vann-blandbar organisk løsemiddel tetrahydrofuran (THF), kan orm-formet micellar nanokrystaller bli produsert på grunn av løsemiddel-indusert/tilrettelagt micelle fusion. Sammenlignet med den vanlige sfærisk micellar nanokrystaller, kan orm-formet micellar nanokrystaller tilby minimerte uspesifisert mobilnettet opptak, dermed forsterke biologiske målretting. Av co innkapsle flere nanokrystaller i hver micelle, kan multifunksjonelle eller synergistic effekter oppnås. Nåværende begrensninger av denne fabrikasjon metoden, som blir en del av det fremtidige arbeidet, inkluderer primært imperfektum innkapsling i micellar nanocrystal produktet og prosessen ufullstendig kontinuerlig natur.
Introduction
Nanokrystaller som semiconductor kvante prikker (QDs) og superparamagnetiske jernoksid nanopartikler (SPIONs) har vist stort potensial for biologiske gjenkjenning, bildebehandling, manipulering og terapi1,2, 3,4,5,6. Innkapsle én eller flere nanokrystaller i en micelle har vært en brukte metoden til grensesnittet nanokrystaller med biologiske miljøer3,6. Dermed dannet micellar nanokrystaller (micelles med nanokrystaller innkapslet) har blitt en ny klasse av nanobiomaterials7,8,9,10. Vanlige metoder for å dikte micelles som innkapsler ulike materialer (f.eks, nanokrystaller, små molekyl narkotika og fargestoffer) inkluderer filmen hydration, dialyse og flere andre7,11.
Dette arbeidet beskriver en metode for fabrikasjon micellar nanokrystaller basert på kombinere ovenfra og ned electrospray, opp-selvstendig montering, og løsemiddel-mediert strukturelle kontroll. Sammenlignet med fabrikasjon av micellar nanokrystaller, vår metode har flere nyttige funksjoner: (1) det er i hovedsak kontinuerlig produksjonsprosessen. Denne funksjonen er hovedsakelig på grunn av det faktum at electrospray brukes i vår metode for å danne emulsjon dråper. Derimot bruke noen andre metoder vortexing eller sonication til emulsjon dråper, og dermed gjør disse metodene satsvise prosesser i naturen12. (2) det resulterer i produkter med høy vann-dispersibility, utmerket kolloidalt stabilitet og intakt fysiske funksjoner den innkapslede nanokrystaller. Denne prosessen kan ofte gi produkter med overlegen kvalitet sammenlignet med micelle innkapsling, i stor grad fordi electrospray kan danne Ultrafin og ensartet emulsjon dråper. (3) strukturer produkter, inkludert micelle form og antall innkapslede nanokrystaller, styres av løsemiddel, som er mye billigere sammenlignet med andre måter for kontroll for eksempel endre amphiphilic polymerene, og kan produsere ikke bare vanlig sfærisk micelle figur men ormen som micelle form via micelle fusion13. Dermed dannet orm-formet micellar nanokrystaller finnes å tilby sterkt redusert uspesifisert mobilnettet opptak enn sfærisk kolleger13. På den annen side, er det verdt å peke på at denne metoden krever oppsettet av en electrospray enhet, som er noe mer teknisk krevende (selv om langt fra uoverkommelige) enn behovet av instrumentering i andre metoder.
Fabrikasjon metoden innebærer først generere Ultrafin (ofte olje-på-vann emulsjon) væskedråper med uniform størrelser ved electrospray, etterfulgt av fordampning organisk løsemiddel resulterer i selvtillit forsamlingen for å danne micellar nanokrystaller (figur 1 ). Electrospray oppsettet har en koaksial konfigurasjon med konsentriske nåler: olje fasen, som inneholder amphiphilic blokk copolymers og hydrofobe nanokrystaller oppløst i organisk løsemiddel, leveres til indre nålen (27 G rustfritt stål kapillær ) med en sprøytepumpe; vann fasen, som inneholder en surfactant oppløst i vann, leveres til ytre nålen (20 G rustfritt stål treveis kontakt) med en andre sprøytepumpe. En høy spenning brukes koaksial munnstykket. Ultrafin dråper med uniform størrelser genereres innenfor segmentet bevegelig force overvinne overflatespenning og treghet stress i væsken. Hver dråpe egentlig fungerer som en “mikro-reaktoren”, som på fjerning organisk løsemiddel av fordamping, den selvstendig montering “reaksjon” oppstår spontant på grunn av hydrofobe interaksjoner. Bruke forskjellige organiske løsemidler fører til ulike strukturer av micellar nanokrystaller: en vann-ikke blandbar organisk løsemiddel kloroform fører til sfærisk micelle form, mens et vann-blandbar organisk løsemiddel THF med lenge reaksjonen fører til ormen som micelle figur sammen med forbedret nanocrystal innkapsling.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metoden fabrikasjon av micellar-nanokrystaller beskrevet i den nåværende arbeid kombinerer ovenfra og ned electrospray, opp selvtillit forsamlingen, og løsemiddelbaserte struktur kontrollere. En effektiv og praktisk kvalitetskontroll metode er å bruke Taylor membran dannet på koaksial munnstykke spissen. Dette er fordi en riktig formet Taylor kjegle angir balanse (eller nær balanse) mellom elektrisk kraft og overflatespenning, som i sin tur indikerer vellykket dannelsen av mikro-reaktorene (uniform Ultrafin dråper…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne anerkjenner takknemlig økonomisk støtte av en “Tusen unge Global talenter” award fra kinesiske staten, en “Shuang Chuang” award fra Jiangsu provinsielle regjeringen, oppstart fondet fra College of Engineering og anvendt Fag, Nanjing University, Kina, award fra “Tian-Di” Foundation, grant fra den prioritet faglig Program utvikling fondet i Jiangsu høyere utdanning institusjoner (PAPD), gi fra Jiangsu provinsen naturvitenskap fondet.
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). |
References
- 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).
