Questo lavoro presenta un protocollo per la fabbricazione di microcapsule di sodio tungstato e sodio molibdato via i batteri e loro corrispondenti nanoparticelle.
Presentiamo un metodo, l’escrezione batterica di minerale (BME), per la sintesi di due generi di microcapsule, tungstato di sodio, molibdato di sodio e nanoparticelle corrispondente degli ossidi di metallo due — il primo è piccolo come 22 nm e il quest’ultimo 15 nm. Ci siamo nutriti due ceppi di batteri, alghe di Shewanella e Pandoraea SP., con le varie concentrazioni di ioni tungstato o molibdato. Le concentrazioni di tungstato e molibdato sono state adeguate per rendere microcapsule di diversi rapporti di lunghezza e diametro. Abbiamo scoperto che maggiore è la concentrazione minore erano le nanoparticelle. Le nanoparticelle è venuto con tre rapporti di lunghezza e diametro: 10:1, 3:1 e 1:1, che sono stati raggiunti alimentando i batteri rispettivamente con una concentrazione bassa, una concentrazione media e un’alta concentrazione. Le immagini delle microcapsule Cave sono stati presi tramite microsfere scansione elettronica (SEM). Loro strutture di cristallo sono state verificate da diffrazione di raggi x (XRD) — la struttura di cristallo del molibdato microcapsule è Na2MoO4 e cioè di microcapsule tungstato Na2WO4 con Na2W2O7. Queste sintesi tutti sono state compiute in una condizione di ambiente vicino.
Nanoparticelle di ossido di metallo vengono sfruttate per la droga consegna1, costruzione artificiale ossa2, catalisi eterogenea3, emissione di campo4,5, celle solari6, sensori di gas7, e litio batterie8. Per le applicazioni pratiche, la resistenza meccanica di nanocristalli e la loro microstruttura sono cruciali. Tra le microstrutture, strutture guscio vuoto possono essere utilizzati per creare materiali leggeri e meccanicamente robusto9. Tra le strutture del guscio vuoto, una forma sferica è conosciuta per essere più rigida di forma ellissoidale; quest’ultimo ha un rapporto di lunghezza e diametro più grande rispetto il precedente10,11. Questo lavoro descrive un protocollo per la sintesi di microcapsule sferiche tramite batteri con un metodo non tossico sotto una condizione ambientale, che contrasta con i metodi alternativi, tra cui il modello sintesi metodo12, ultrasuoni-spray-assistita sintesi metodo13 e metodo idrotermale14. Alcuni dei metodi alternativi richiedono modelli12, alcuni una temperatura più alta come 500 ° C13e alcuni un’alta pressione14. Per quanto riguarda la struttura risultante, il metodo di sintesi del modello utilizzando il modello di lievito porta circa una struttura core-shell15, invece di uno con una singola parete, e quello che utilizza il modello di e. coli produce una struttura con rapporto tra lunghezza e diametro 1.7:0.8 e non è sferica. 16.
In questo lavoro, abbiamo fatto microcapsule di ossido di metallo con una sola parete e di forma sferica sotto una condizione ambientale, sfruttando il metabolismo batterico. Nella glicolisi batterica, un processo chimico che metabolizza fonti di carbonio, come glucosio e lattosio, fonti di carbonio sono considerati essere l’origine del potere riducente generato in esso. Abbiamo manipolato metabolismo batterico regolando la concentrazione di fonti di carbonio per raggiungere il fine desiderato. Questo metodo è favorevole all’ambiente, usando gli agenti non tossici e che consumano molto meno energia elettrica di potenza. Infine, questo metodo consente la produzione di massa di microcapsule semplicemente aumentando il volume di brodo.
Prima del metodo, ci sono stati un altro due metodi che utilizzano il metabolismo batterico per rendere minerali: biologicamente indotta mineralizzazione (BIM)17 e biologicamente controllato mineralizzazione (BCM)18. BIM, né BCM può essere utilizzato per la fabbricazione di sodio tungstato e molibdato di microcapsule di tungstato come nostro processo, che è designato come l’ escrezione batterica minerale (BME)19. In questo esperimento, la forma di microcapsule può essere controllata per avere un rapporto di lunghezza e diametro da 10:1 a 1:1, e le dimensioni delle nanoparticelle grani che formano i gusci possono essere regolati da 15 nm a 110 nm.
Per quanto riguarda l’autoconsistenza dei risultati sperimentali, la preparazione e la moltiplicazione dei batteri monoclonali sono critici. Questo esperimento, diverso dal modello sintesi esperimenti15,16, impiegato bioattivi batteri gram-negativi. Per ottenere una singola parete, abbiamo scelto procariotici batteri invece di batteri eucarioti come lievito15. Per ottenere una forma sferica con un rapporto di lunghezza e diametro di 1:1, invece di un più grande rapporto tra lunghezza e diametro16, abbiamo alimentato batteri con una concentrazione molto alta di oxyanions pesanti per manipolarle a restringersi in una forma sferica, rendendo microcapsule con un muro singolo, rotondo e sottile (< 30 nm).
Poiché il BME si basa principalmente sulla regolazione della concentrazione di oxyanions pesanti per controllare il metabolismo dei batteri, è dotato di due limitazioni. In primo luogo, la concentrazione di oxyanions pesanti è limitata dalla solubilità, anche se la concentrazione dovrebbe essere alta come possibile. In secondo luogo, più batterici metabolismi si fermerà a temperature superiori a 45 ° C o sotto 5 ° C, rispettivamente superiore e i limiti inferiori del nostro esperimento.
Nonostante questi due limiti, il BME ha un grande potenziale per la fabbricazione di materiali di ossido di metallo di interesse pratico. Per suffragare questa affermazione, ci accingiamo a provare questo metodo per rendere microcapsule di zirconio e microcapsule di ferro — il primo è un buon candidato materiale per ossa artificiali e quest’ultimo per la consegna della droga.
The authors have nothing to disclose.
Questo lavoro è sostenuto dal Ministero della scienza e della tecnologia, Taiwan, Repubblica di Cina, concedere sotto numero più 105-2221-E-011-008, e anche da avanzate-Connectek Inc., Taipei, Taiwan, ROC sotto contratto numero RD Rif. n. 6749 e Dept. Rif. n. 011 attraverso il Graduata Istituto di ingegneria elettro-ottici, National Taiwan University of Science e tecnologia.
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 |