Auto-montagem de membranas lipídicas híbridas dopadas com moléculas orgânicas hidrofóbicas na interface água/ar
Summary
Relatamos um protocolo para a produção de uma membrana lipídica híbrida na interface água/ar dopando a bicamada lipídica com moléculas de cobre (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butil-29H,31H-phthalocyanine (CuPc). A membrana lipídica híbrida resultante tem uma estrutura de sanduíche lipídida/CuPc/lipídio. Este protocolo também pode ser aplicado à formação de outros nanomateriais funcionais.
Abstract
Devido às suas propriedades únicas, incluindo uma espessura ultrathin (3-4 nm), resistividade ultra-alta, fluidez e capacidade de auto-montagem, bicamadas lipídicas podem ser facilmente funcionais e têm sido usadas em várias aplicações, como bio-sensores e bio-dispositivos. Neste estudo, introduzimos uma molécula orgânica planar: cobre (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butil-29H,31H-phthalocyanine (CuPc) para dopar membranas lipídicas. A membrana híbrida CuPc/lipídica se forma na interface água/ar por auto-montagem. Nesta membrana, as moléculas de CuPc hidrofóbicas estão localizadas entre as caudas hidrofóbicas de moléculas lipídicas, formando uma estrutura de sanduíche lipídico/CuPc/lipídio. Curiosamente, um bicamador lipídado híbrido estável no ar pode ser prontamente formado transferindo a membrana híbrida para um substrato Si. Relatamos um método simples para incorporar nanomateriais em um sistema de bicamadas lipídicas, o que representa uma nova metodologia para a fabricação de biosensores e biodispositivos.
Introduction
Como estruturas essenciais das membranas celulares, o interior das células são separados do exterior por um sistema lipídetivo bicamada. Este sistema consiste em fosfolipídios anfífilicos, que são compostos por ésterso fosfórico hidrofílico “cabeças” e ácidos graxos hidrofóbicos “caudas”. Devido à notável fluidez e capacidade de auto-montagem de bicamadas lipídicas em ambiente aquoso1,2, bicamadas lipídicas artificiais podem ser formadas usando métodos simples3,4. Vários tipos de proteínas de membrana, como canais de íons, receptores de membrana e enzimas, foram incorporadas na bicamada lipídica artificial para imitar e estudar as funções das membranas celulares5,6. Mais recentemente, bicamadas lipídicas foram dopadas com nanomateriais (por exemplo, nanopartículas metálicas, grafeno e nanotubos de carbono) para formar membranas híbridas funcionais7,8,9,10,11,12,13. Um método amplamente utilizado para a formação dessas membranas híbridas envolve a formação de vesículas lipídicas dopadas, que contêm materiais hidrofóbicos, como nanotuculas Au-nanopartículasmodificadas 7 ou nanotubos de carbono11,e as vesículas resultantes são então fundidas em bicamadas lipídicas apoiadas por planares. No entanto, essa abordagem é complexa e demorada, o que limita o uso potencial dessas membranas híbridas.
Neste trabalho, as membranas lipídicas foram dopadas com moléculas orgânicas para produzir membranas lipídicas híbridas que se formaram na interface água/ar por auto-montagem. Este protocolo envolve três etapas: preparação da solução mista, formação de uma membrana híbrida na interface água/ar e transferência da membrana para um substrato Si. Comparado com outros métodos relatados anteriormente, o método descrito aqui é mais simples e não requer instrumentação sofisticada. Usando este método, membranas lipídicas híbridas estáveis no ar com uma área maior podem ser formadas em um tempo menor. O nanomaterial utilizado neste estudo é uma molécula orgânica semicondutora, cobre (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butil-29H,31H-phthalocyanine (CuPc), que é amplamente utilizado em uma série de aplicações, incluindo células solares, fotodetetores, sensores de gás e catálise14,15. CuPc, uma pequena molécula orgânica com uma estrutura planar, tem uma alta afinidade com as “caudas” da dupla de fosfolipídios com suas características hidrofóbicas. Outros grupos relataram que as moléculas de CuPc podem se auto-montar em superfícies de cristal único com a formação de estruturas altamente ordenadas16,17. Portanto, é altamente possível que as moléculas de CuPc possam ser incorporadas aos bicamadas lipídicos através da auto-montagem.
Fornecemos uma descrição detalhada dos procedimentos utilizados para formar membranas e fornecemos algumas sugestões para implementar suavemente este procedimento. Além disso, apresentamos alguns resultados apresentá-inativos das membranas lipídicas híbridas e discutimos possíveis aplicações desse método.
Protocol
Representative Results
Discussion
Na solução precursora da membrana híbrida, um solvente orgânico misto (clorofórmio e hexano) em vez de clorofórmio puro é usado para dissolver lipídios e CuPc. Se o clorofórmio puro for usado, a densidade da solução precursora seria maior que a água. Portanto, é altamente provável que a solução afundaria no fundo da água em vez de se espalhar na superfície da água. Adicionar hexano, um solvente de baixa densidade, à solução precursora, garante que a solução flutuará sobre a superfície da água e…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pelo programa CREST da Agência de Ciência e Tecnologia do Japão (JPMJCR14F3) e pela Grant in-Aids da Japan Society for the Promotion of Science (19H00846 e 18K14120). Este trabalho foi realizado parcialmente no Laboratório de Nanoeletrônica e Spintronics, Instituto de Pesquisa de Comunicação Elétrica da Universidade de Tohoku.
Materials
| Chloroform | Wako Chemicals | 033-08631 | |
| CuPc | Sigma-Aldrich | 423165 | |
| DPhPc | Avanti Polar Lipids | 850356C | |
| Glass vials with screw cap | Nichiden-Rike Glass Co., Ltd | 6-29801 | |
| Hexane | Wako Chemicals | 084-03421 | |
| Membrane filters | Merck Millipore Ltd. | R8CA42836 | |
| Micro-syringe | Hamilton | 80530 | |
| Peristaltic pump | Tokyo Rikakikai Co., Ltd. | 11914199 | |
| Vortex mixer | Scientific Industries, Inc. | SI-0286 |
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