El examen cuantitativo y cualitativo de las interacciones entre partículas Uso coloidal Sonda Nanoscopia

Summary

Colloidal probe nanoscopy can be used within a variety of fields to gain insight into the physical stability and coagulation kinetics of colloidal systems and aid in drug discovery and formulation sciences using biological systems. The method described within provides a quantitative and qualitative means to study such systems.

Abstract

Colloidal Probe Nanoscopy (CPN), the study of the nano-scale interactive forces between a specifically prepared colloidal probe and any chosen substrate using the Atomic Force Microscope (AFM), can provide key insights into physical interactions present within colloidal systems. Colloidal systems are widely existent in several applications including, pharmaceuticals, foods, paints, paper, soil and minerals, detergents, printing and much more.^1-3 Furthermore, colloids can exist in many states such as emulsions, foams and suspensions. Using colloidal probe nanoscopy one can obtain key information on the adhesive properties, binding energies and even gain insight into the physical stability and coagulation kinetics of the colloids present within. Additionally, colloidal probe nanoscopy can be used with biological cells to aid in drug discovery and formulation development. In this paper we describe a method for conducting colloidal probe nanoscopy, discuss key factors that are important to consider during the measurement, and show that both quantitative and qualitative data that can be obtained from such measurements.

Introduction

Microscopía de fuerza atómica (AFM) es una técnica que permite obtener imágenes cualitativa y cuantitativa de sondeo y de una superficie de material. ^4-6 Tradicionalmente, AFM se utiliza para la evaluación de la topografía de la superficie, la morfología y la estructura de los materiales multifásicos. AFM tiene la capacidad de evaluar cuantitativamente las interacciones a escala nanométrica, como las fuerzas de carga, de atracción, de repulsión y de adhesión entre una sonda y el sustrato específico en el aire y el medio líquido. ^7,8 La AFM desarrollado originalmente por Binning, Quate y Gerber ⁹ usos una sonda de conocidos / determinada sensibilidad y constante del resorte de acercarse y / o escanear una muestra. Debido a las interacciones físicas entre la sonda y la muestra, el voladizo se desvía durante el contacto o la proximidad y en función del modo de funcionamiento, esta desviación puede ser traducido para adquirir la topografía de las fuerzas presentes entre la sonda y la muestra de muestra o medida. Las modificaciones de la técnica AFMQue, como nanoscopía sonda coloidal, ¹⁰ han permitido científico para evaluar directamente las interacciones nano-fuerza entre dos materiales presentes en un sistema coloidal de interés.

En nanoscopía sonda coloidal, una partícula esférica de elección está unido a la cúspide de un voladizo, la sustitución de las puntas tradicionales cónicos y piramidales. Una partícula esférica es ideal para permitir la comparación con los modelos teóricos como el de Johnson, Kendal, Roberts (JKR) ¹¹ y Derjaguin, Landau, Vervwey, Overbeek (DLVO) ^12-14 teorías y reducir al mínimo la influencia de la rugosidad de la superficie en la medición. ¹⁵ Estas teorías se utilizan para definir la mecánica de contacto y las fuerzas entre las partículas esperados dentro de un sistema coloidal. La teoría DLVO combina las fuerzas de van der Waals atractiva y fuerzas electrostáticas repulsivas (debido a las capas dobles eléctricas) para explicar cuantitativamente el comportamiento de agregación de los sistemas coloidales acuosas, mientras que la JTeoría KR incorpora el efecto de la presión de contacto y la adherencia para modelar el contacto elástico entre dos componentes. Una vez que se produce una sonda apropiada, que se utiliza para acercarse a cualquier otro material / partículas para evaluar las fuerzas entre los dos componentes. Usando una punta estándar fabricado uno será capaz de medir fuerzas interactivas entre esa punta y un material de elección, pero la ventaja de utilizar una sonda coloidal por encargo permite la medición de las fuerzas presentes entre los materiales presentes en el sistema estudiado. Interacciones medibles incluyen:.. Adhesiva, atractivo, repulsivo, cargo, y las fuerzas electrostáticas presentes incluso entre las partículas ¹⁶ Por otra parte, la técnica de la sonda coloidal se puede utilizar para explorar las fuerzas tangenciales presentes entre las partículas y la elasticidad material de ^17,18

La capacidad para llevar a cabo mediciones en diferentes medios de comunicación es una de las principales ventajas de nanoscopía sonda coloidal. Condiciones ambientales, líquido media, o condiciones de humedad controlada se pueden usar para imitar las condiciones ambientales del sistema estudiado. La capacidad para llevar a cabo mediciones en un medio líquido permite el estudio de sistemas coloidales en un entorno que se produce naturalmente; por lo tanto, ser capaz de adquirir cuantitativamente datos directamente traducible al sistema en su estado natural. Por ejemplo, las interacciones de partículas presentes en los inhaladores de dosis medidas (IDM) se pueden estudiar usando un propelente líquido modelo con propiedades similares a las del propulsor utilizado en los IDM. Las mismas interacciones medida en el aire no sería representativa de la existente en el sistema de inhalador. Además, el medio líquido puede ser modificado para evaluar el efecto de la entrada de humedad, un tensioactivo secundario, o la temperatura en las interacciones de las partículas en un MDI. La capacidad para controlar la temperatura se puede utilizar para imitar ciertos pasos en la fabricación de sistemas coloidales para evaluar cómo la temperatura ya sea en la fabricación de oalmacenamiento de los sistemas coloidales puede tener un impacto en las interacciones de partículas.

Las mediciones que se pueden obtener utilizando sondas coloidales incluyen; Escaneo Topografía, curvas fuerza-distancia individuales, los mapas de adhesión vigor distancia, y habitar las mediciones de fuerza-distancia. Los parámetros clave que son medidos por el método de nanoscopía sonda coloidal se presenta en este documento incluyen los valores de energía de separación snap-in, carga máxima, y. Snap-in es una medida de las fuerzas de atracción, max cargar el valor de la fuerza máxima adhesión, y la energía de separación transmite la energía necesaria para retirar la partícula de contacto. Estos valores pueden ser medidos a través de mediciones instantáneas o fuerza de permanencia. Dos diferentes tipos de medidas de permanencia incluyen deflexión y la sangría. La longitud y el tipo de medición de permanencia se pueden elegir específicamente para imitar las interacciones específicas que están presentes dentro de un sistema de interés. Un ejemplo es el uso de permanencia deformación – que poseelas muestras que están en contacto con un valor de deflexión deseada – para evaluar las uniones adhesivas que se desarrollan en los agregados formados en dispersiones. Las uniones adhesivas formadas se pueden medir como una función del tiempo y pueden dar una idea de las fuerzas requeridas para redispersar los agregados después de un almacenamiento prolongado. La gran cantidad de datos que se pueden obtener con este método es una prueba de la versatilidad del método.

Protocol

1. Preparación de la sonda coloidal y AFM Sustrato Para preparar sondas coloidales, use un método previamente desarrollado por los autores. 19 En breve, utilizar un soporte de ángulo de 45 ° para fijar un voladizo sin punta en el ángulo específico de 45 ° (Figura 1A). Preparar una diapositiva epoxi untando una capa delgada de epoxi en un portaobjetos de microscopio. Utilice una espátula limpia o una corriente lenta de nitrógeno para asegurar que la capa …

Representative Results

Sistemas coloidales líquidos se utilizan para varios sistemas de liberación de fármacos farmacéuticos. Para la administración de fármacos por inhalación, un sistema coloidal común es la suspensión inhalador de dosis medidas presurizado (pMDI). Interacciones de las partículas presentes en el pMDI desempeñan un papel vital en la formulación de la estabilidad física, el almacenamiento, y la uniformidad de administración de fármacos. En este manuscrito, se evaluaron las fuerzas entre partículas entre las par…

Discussion

Varias fuentes de inestabilidad presentes en líquido nanoscopía sonda coloidal sistema pueden ser fácilmente mitigados a través de los procedimientos adecuados de equilibrio. Inestabilidades como se discutió anteriormente en el resultado resultados erróneos y las curvas de fuerza que son más difíciles de analizar objetivamente. Si todas las fuentes de inestabilidad se han tendido y gráficos similares a la mostrada en la Figura 4 están todavía presentes, otro parámetro de medición puede ser …

Materials

Name of Material/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
Double-Bubble Epoxy	Hardman	4004
Veeco Tipless Probes	Veeco	NP-O10
Porous Particles	Pearl Therapeutics	N/A
Atomic Force Microscope (MFP)	Asylum	MFP-3D
SPIP Scanning Probe Image Processor Software	NanoScience  Instruments	N/A
35 mm Coverslips	Asylum	504.003
Tempfix	Ted Pella. Inc.	16030