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Chimica

Preparación fácil del ensamblado autónomos Internamente Lípidos Las partículas estabilizadas por nanotubos de carbono

Published: February 19, 2016
doi:
10.3791/53489
, , ,
1Centre for Materials Science, School of Physical Sciences and Computing,University of Central Lancashire, 2School of Food Science & Nutrition,University of Leeds

Summary

We report on a smart application of carbon nanotubes for kinetic stabilization of lipid particles that contain self-assembled nanostructures in their cores. The preparation of lipid particles requires rather low concentrations of carbon nanotubes permitting their use in biomedical applications such as drug delivery.

Abstract

Se presenta un método fácil para preparar partículas lipídicas nanoestructurados estabilizados por nanotubos de carbono (CNT). De una sola pared (prístina) y de paredes múltiples (funcionalizados) CNTs se utilizan como estabilizadores para producir emulsiones (O / W) de tipo Pickering aceite-en-agua. Los lípidos a saber, Dimodan U y fitantriol se utilizan como emulsionantes, que en el exceso de agua se autoensamblan en la fase Pn3m cúbica bicontinua. Esta fase altamente viscoso se fragmenta en partículas más pequeñas utilizando una sonda de ultrasonidos en presencia de estabilizadores de agentes tensioactivos convencionales o nanotubos de carbono como se hizo aquí. Inicialmente, los nanotubos de carbono (forma de polvo) se dispersan en agua seguido de nuevo de ultrasonidos con el lípido fundido para formar la emulsión final. Durante este proceso los NTC quedan recubiertas con moléculas de lípidos, que a su vez se presume para rodear las gotitas de lípidos para formar una emulsión de partículas que es estable durante meses. El tamaño medio de las partículas lipídicas estabilizadas nanoestructurados-CNT está en el submicrónico range, lo que se compara bien con las partículas estabilizadas usando agentes tensioactivos convencionales. Pequeño datos de ángulo de dispersión de rayos X confirma la retención de la fase cúbica Pn3m original en las dispersiones de lípidos estabilizadas-CNT en comparación con la fase lipídica pura (estado a granel). desplazamiento al azul y el descenso de las intensidades en G característica y bandas de CNTs observados en la espectroscopia Raman G 'caracterizar la interacción entre la superficie y de lípidos moléculas CNT. Estos resultados sugieren que las interacciones entre los nanotubos de carbono y los lípidos son responsables de su estabilización mutua en soluciones acuosas. Como las concentraciones de nanotubos de carbono empleados para la estabilización son muy bajos y las moléculas de lípidos son capaces de funcionalizar los NTC, se espera que la toxicidad de los CNT a ser insignificante, mientras que su biocompatibilidad es mucho mayor. Por lo tanto el presente enfoque encuentra un gran potencial en diversas aplicaciones biomédicas, por ejemplo, para el desarrollo de sistemas de nanotransportador híbridos para la entrega de multiple moléculas funcionales como en la terapia de combinación o politerapia.

Introduction

Durante las últimas décadas, la nanotecnología se ha convertido en una herramienta poderosa en especial en el campo de desarrollo preclínico de medicamentos para combatir enfermedades como el cáncer notorios 1. En este contexto, las estructuras a nanoescala con un tamaño de <1000 nm son ampliamente explorada como vehículo de administración de diversas biomoléculas activas tales como fármacos, proteínas, ácidos nucleicos, genes y agentes de diagnóstico por imagen 1-4. Estas biomoléculas se encapsulan ya sea dentro de las nanopartículas o conjugarse en la superficie de las nanopartículas y se liberan en el sitio de acción de los factores desencadenantes tales como el pH o la temperatura 5,6. Aunque es extremadamente pequeño en tamaño, la gran superficie de estas nanopartículas resulta ser muy ventajoso para la administración dirigida de biomoléculas activas. El control sobre el tamaño de partícula y la biocompatibilidad es de suma importancia con el fin de optimizar la eficacia terapéutica y por lo tanto, la aplicabilidad de las nanopartículas 7,8.Los lípidos 9-13, polímeros, metales 14,15 16,17 18,19 y nanotubos de carbono se han empleado comúnmente como nanoportadores para diversas aplicaciones biomédicas y farmacéuticas.

Por otra parte, las aplicaciones nanotransportador basados ​​en nanoestructuras autoensambladas lípidos tienen una gran importancia en muchas otras disciplinas, incluyendo las industrias de cosméticos y alimentos 20,21. Por ejemplo, se utilizan en la cristalización de proteínas 22, la separación de biomoléculas 23, como estabilizadores de alimentos, por ejemplo, en los postres 24, y en la entrega de moléculas activas, tales como nutrientes, sabores y perfumes 25-31. Nanoestructuras de lípidos autoensambladas no sólo tienen la capacidad de liberar moléculas bioactivas de una manera controlada y selectiva 32-38 sino que también son capaces de proteger las moléculas funcionales de química y enzimática degradación 39,40. Aunque bicapa planar fluido es el más commen nanoestructura formada por moléculas de lípidos anfifílicos en presencia de agua, otras estructuras tales como hexagonal y cúbica también se observan comúnmente 20,41,42. El tipo de nanoestructura formada depende de la estructura de la forma molecular de los lípidos ', la composición de lípidos en agua, así como de las condiciones físico-químicas empleadas tales como la temperatura y la presión 43. La aplicabilidad de nanoestructuras de lípidos no planas especialmente la de las fases cúbicas, está restringido debido a su alta viscosidad y la consistencia de dominio no homogénea. Estos problemas se superan mediante la dispersión de las nanoestructuras de lípidos en gran cantidad de agua para formar emulsiones que contienen micrómetro o partículas lipídicas de tamaño submicrónico de aceite-en-agua (O / W). De esta manera, un producto adecuado de baja viscosidad se puede preparar al tiempo que conserva la estructura auto-ensamblado de lípidos original dentro las partículas dispersas. La formación de estas partículas internamente autoensambladas (abreviado como ISAsomes 44 </sup> Por ejemplo, cubosomas de fases cúbicas y hexosomes de fases hexagonales) requiere habitualmente una combinación de un paso de entrada de alta energía y la adición de estabilizadores tales como tensioactivos o polímeros. La investigación reciente en esta dirección demuestra la aplicación de diversas partículas sólidas 45, incluyendo nanopartículas de sílice 46, arcilla 47-49 y nanotubos de carbono 50 para la estabilización de emulsiones anteriormente mencionadas, adecuadamente denominado como Pickering 51 o emulsiones de Pickering Ramsden-52.

En los últimos años, el carbono nanoestructuras tales como nanotubos de carbono de pared simple (SWCNTs) con base, los nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNTs) y fullerenos han recibido una gran atención como nuevos biomateriales 53,54. Las principales preocupaciones son su toxicidad 55-58, 59 insolubilidad en agua y por lo tanto su biocompatibilidad 56. Una forma eficaz de hacer frente a estos problemas es la función de la superficielización utilizando moléculas no tóxicos y biocompatibles tales como lípidos. En presencia de agua, lípidos interactúan con CNTs de una manera que la superficie hidrofóbica de los CNT está protegido de medio acuoso polar mientras que los grupos de cabeza hidrófilos lípidos ayudar a su solubilidad o dispersión en agua 60,61. Los lípidos son componentes integrales de orgánulos celulares, así como algunos materiales alimenticios, por lo tanto su decoración idealmente debería disminuir la toxicidad in vivo de los CNT. Aplicaciones biomédicas basadas independientemente en CNT 18,19 y nanoestructuras lipídicas 9-13 están en fase de desarrollo muy amplia, pero las aplicaciones que combinan las propiedades de los dos no están todavía bien explorado.

En este trabajo, empleamos dos tipos diferentes de lípidos y tres tipos de nanotubos de carbono de los cuales SWCNTs se presentan en forma prístina mientras que MWCNTs están funcionalizados con hidroxilo y grupos carboxílicos. Hemos utilizado concentraciones muy bajas de los CNT para preparar las dispersiones cuyosestabilidad depende de varios factores, por ejemplo, el tipo de lípido, el tipo de CNT, relación de lípido a CNT utilizado, así como de los parámetros de sonicación empleadas como la energía y la duración. Este protocolo de vídeo ofrece detalles técnicos de un método de estabilización de nanopartículas lipídicas cinéticamente utilizando diversos CNT-estabilizadores.

Protocol

Precaución: los nanotubos de carbono utilizados en este trabajo se presentan en forma de nanopartículas que puede tener riesgos adicionales en comparación con sus homólogos a granel. La inhalación de grafito, tanto naturales como sintéticos, puede causar neumoconiosis 62 similar a la neumoconiosis de los mineros del carbón. Por otra parte, ha habido preocupaciones relacionadas con la toxicidad de nanoestructuras de carbono basadas y algunos de los estudios anteriores sugieren toxicidad aguda y crónica asociada con la inha…

Representative Results

Los siguientes resultados representan a) la estabilidad de las dispersiones, b) la distribución de tamaños de partículas lipídicas, c) el tipo de auto-ensamblaje y d) Las pruebas para el revestimiento de lípidos de la CNT. La estabilidad de las dispersiones (Figura 2) se controló utilizando una cámara de 5 MP con enfoque automático y flash LED. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/53489/53489fig2….

Discussion

La estabilización de las partículas lipídicas
Tres CNTs diferentes se utilizan para estabilizar las dispersiones de lípidos; dos de los cuales son de múltiples paredes y funcionalizado usando -OH y grupos -COOH, y uno es único con funcionalidad no amurallado y (virgen). La CNT variar en tamaño como sigue (diámetro x longitud): MWCNT-COOH: 9,5 nm x 1,5 m; MWCNT-OH: 8-15 nm x 50 micras; SWCNT: 1-2 nm x 1-3 micras. Los nanotubos de carbono en polvo se dispersaron en agua por la sonda ultra-s…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Nos gustaría agradecer al Dr. Matthew J. Baker, ahora en la Universidad de Strathclyde, Glasgow por el apoyo con los experimentos Raman y el Sr. Nick Gaunt por su trabajo previo de este proyecto.

Materials

Dimodan U Danisco 15312 Store at 4°C, Non-hazardous. Irritant to eyes and skin
Phytantriol (> 95%, GC) TCI Europe N.V. P1674 Store at 4°C, Non-hazardous. Irritant to eyes and skin
Single walled Carbon Nanotubes (90%) Nanostructured & Amorphous Materials, Inc.  1246YJS Store at room temperature. Away from direct light. Irritating to eyes, skin and respiratory system
Multi-walled carboxylic acid functionalised Carbon Nanotubes (> 80% Caron basis, > 8% carboxylic acid functionalized) Sigma-Aldrich Co. LLC  755125 Store at room temperature. Away from direct light. Causes serious eye irritation. May cause respiratory irritation
Graphitized Multi-walled hydroxy functionalised Carbon Nanotubes (99.9%) Nanostructured & Amorphous Materials, Inc. (NanoAmor)  1224YJF Store at room temperature. Away from direct light. Irritating to eyes, skin and respiratory system
Pluronic F127 Sigma-Aldrich Co. LLC  P2443 BioReagent, suitable for cell culture. Not a hazardous substance or mixture. Store at room temperature.
Acetone (99.5%) Fisher Scientific  10134100 Highly flammable liquid. Causes serious eye irritation. May cause drowsiness or dizziness
Scintillation Vial VWR International Ltd 548‐0704 Soda‐lime glass vial with low background count Fitted with foil lined urea cap, 20 ml
Jars with loose, enfolding lids (375ml) VWR International Ltd 216-3308
Beaker , 1000mL Fisher Scientific  12942161 heavy duty, low form, with spout and graduations
Pasteur glass pipette (150 mm length) with latex bulb Fisher Scientific  10006021
Microcentrifuge tube conical snap cap 1.5mL Fisher Scientific  11558232
Spatula Fisher Scientific  11352204
Heating magnetic stirrer Fisher Scientific  11715704
Magnetic stirrer bars (cylindrical, opaque PTFE, 30mm x 7mm (l x diameter)) Fisher Scientific  10011792
Needle (0.9 mm x 40 mm cannula length) Terumo UK Ltd MN-2038MQ
Retort Stand Set – With stand, clamp, base, rod, rubber 3 jaw and bosshead Camlab Ltd, UK 1177157
Millipore water equipment Barnstead Nanopure, Thermoscientific, USA
Progen Genfuge 24D Digital Microcentrifuge Progen Scientific C-2400
Probe ultra-sonicator, with 13 mm  SONICS, Vibracell,  USA
5MP camera with auto-focus and LED flash Samsung Galaxy Fame Mobile camera
Raman Spectrometer Horiba Jobin-Yvon LabRAM HR800 spectrometer
Mastersizer 3000  Malvern Instruments Ltd, Malvern, United Kingdom
Small angle X-ray scattering (SAXS) SAXSpace camera (Anton Paar, Graz, Austria), X-ray generating equipment (ISO-DEBYEFLEX3003, GE Inspection Technologies GmbH), closed water circuit (Chilly 35, HYFRA, Germany). 
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Riferimenti

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Patil-Sen, Y., Sadeghpour, A., Rappolt, M., Kulkarni, C. V. Facile Preparation of Internally Self-assembled Lipid Particles Stabilized by Carbon Nanotubes. J. Vis. Exp. (108), e53489, doi:10.3791/53489 (2016).
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