Syntes och karakterisering av Amphiphilic Gold nanopartiklar
Summary
Amphiphilic Guldnanopartiklar kan användas i många biologiska tillämpningar. Ett protokoll för att syntetisera Guldnanopartiklar belagda med en binär blandning av ligander och en detaljerad karakterisering av dessa partiklar presenteras.
Abstract
Guldnanopartiklar täckta med en blandning av 1-okanethiol (OT) och 11-mercapto-1-undecane etylbenztiazolinsvavelsyra Acid (mus) har studerats utförligt på grund av deras interaktioner med cell membran, lipidbilayers, och virus. De hydrofila liganderna gör dessa partiklar kolloidalt stabila i vatten lösningar och kombinationen med hydrofoba ligander skapar en amfifila molekylers partikel som kan laddas med hydrofoba droger, säkring med lipidmembranen, och motstå ospecifik proteinadsorption. Många av dessa egenskaper beror på Nanopartikel storlek och sammansättningen av ligand Shell. Det är därför avgörande att ha en reproducerbar syntetisk metod och pålitliga karakteriseringstekniker som möjliggör bestämning av nanopartikelegenskaper och ligand-skalsammansättningen. Här, en enfas kemisk reduktion, följt av en grundlig rening för att syntetisera dessa nanopartiklar med dia metrar under 5 nm, presenteras. Förhållandet mellan de två liganderna på ytan av nanopartikeln kan trimmas genom deras stökiometriska förhållandet används under syntesen. Vi visar hur olika rutin tekniker, såsom transmission elektronmikroskopi (TEM), nukleär magnetisk resonans (NMR), termogravimetrisk analys (TGA), och ultraviolett-synlig (UV-VIS) spektrometri, kombineras till omfattande karakterisera nanopartiklarnas fysikalisk-kemiska parametrar.
Introduction
Den ligand skal av guld nanopartiklar kan vara konstruerad för att uppvisa flera olika egenskaper som kan tillämpas för att hantera utmaningarna i bio medicin1,2,3,4. Sådan mångsidighet möjliggör kontroll av Intermolekylär interaktion mellan nanopartiklar och biomoleculer5,6,7. Hydrofobicitet och laddning spelar en avgörande roll, liksom andra ytparametrar som påverkar hur nanopartiklar interagerar med biomoleculer5,8,9. För att ställa in nanopartiklarnas ytegenskaper, erbjuder valet av tiolat molekyler som utgör ligand-skalet en myriad av möjligheter, enligt de egenskaper som eftersträvas. Till exempel, en blandning av ligand molekyler med hydrofoba och hydrofila (t. ex.laddade) grupper används ofta för att generera amfifila molekylers nanopartiklar10,11.
Ett framträdande exempel på denna typ av nanopartiklar skyddas av en blandning av OT och mus (hädanefter kallade mus: OT nanopartiklar) som har visat sig ha många relevanta egenskaper12,13,14. Först, med en ligand skal sammansättning av 66% MUS (hädanefter 66:34 MUS: OT), den kolloidal stabiliteten hos nanopartiklarna är hög, når upp till 33% i vikt i avjoniserat vatten, samt i fosfatbuffrad saltlösning (1x, 4 mM fosfat, 150 mM NaCl)15. Dessutom, dessa partiklar inte fälls ut vid relativt låga pH-värden: till exempel vid pH 2,3 och med saltkoncentrationer på 1 M NaCl15, dessa nanopartiklar förblir kolloidalt stabilt i månader. Den stökiometriska förhållandet mellan de två molekylerna på ligand skalet är viktigt eftersom det dikterar kolloidal stabilitet i lösningar med en hög jonisk styrka16.
Dessa partiklar har visats passera cell membranet utan att porera den, via en energi oberoende väg1,12. Den spontana fusionen mellan dessa partiklar och lipidbilayers ligger till grund för deras diffusivitet genom cell membran17. Mekanismen bakom denna interaktion är minimering av kontakten mellan en hydrofoba lösningsmedelsanpassad yta och vatten molekyler vid fusion med lipidbilayers18. Jämfört med all-MUS nanopartiklar (nanopartiklar med endast MUS ligand på deras skal), den högre hydrofobicity på blandade MUS: OT nanopartiklar (till exempel, vid en 66:34 MUS: OT sammansättning) ökar spännvidden av kärn diametern som kan smälta samman med lipid lipidmonolager18. Olika själv monterings organisationer av ligand Shell korrelerar till distinkta bindnings lägen av 66:34 MUS: OT nanopartiklar med olika proteiner, såsom albumin och ubiquitin, jämfört med all-MUS partiklar19. Nyligen har det rapporter ATS att 66:34 mus: OT nanopartiklar kan användas som ett brett spektrum antivirala medel som oåterkalleligt förstör virus på grund av multivalenta elektro statiska bindningar av mus ligander och ickelokala kopplingar av OT ligander att kapsid proteiner14. I alla dessa fall har det visat sig att det hydrofoba innehållet, liksom kärn storleken på nanopartiklarna, bestämmer hur dessa bio-nano interaktioner sker. Dessa olika egenskaper hos MUS: OT nanopartiklar har föranlett många data simulering studier som syftade till att klargöra de mekanismer som ligger till grund för samspelet mellan MUS: OT partiklar och olika biologiska strukturer såsom lipidbilayers20.
Förberedelserna av MUS: OT-skyddade au nanopartiklar utgör några utmaningar. För det första är den laddade ligand (MUS) och hydrofoba ligand (OT) oblandbar. Således måste lösligheten hos nanopartiklarna och liganderna tas med i beräkningen under hela syntesen, liksom under karakteriseringen. Dessutom, renhet av MUS ligand molekyler-specifikt, halten av oorganiska salter i utgångs materialet-påverkar kvaliteten, reproducerbarhet, liksom kort och lång sikt kolloidal stabilitet nanopartiklar.
Här beskrivs en detaljerad syntes och karakterisering av denna klass av amfifila molekylers guld nanopartiklar skyddas av en blandning av mus och OT. Ett protokoll för syntesen av negativt laddade MUS ligand rapporteras för att säkerställa renheten och därmed reproducerbarheten av olika nanopartikelsynteser. Sedan, förfarandet för att generera dessa nanopartiklar, baserat på en gemensam enfas syntes, följt av grundlig rening, rapporteras i detalj. Olika nödvändiga karakteriseringstekniker21, såsom tem, UV-VIS, TGA, och NMR, har kombinerats för att få alla nödvändiga parametrar för ytterligare biologiska experiment.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta protokoll beskriver först syntesen av mus ligand och, sedan, syntesen och karakteriseringen av amfifila molekylers mus: OT guld nanopartiklar. Syntetisera MUS med minimal salthalt möjliggör en bättre tillförlitlighet det stökiometriska förhållandet mellan ligander under nanopartikelsyntesen, vilket är en viktig faktor för reproducerbara syntesen av MUS: OT nanopartiklar med ett mål hydrofoba innehåll (figur 8). Användningen av metanol som ett vanligt lösnings medel för M…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Z.P.G. och F.S. tackar Swiss National Science Foundation och särskilt NCCR ‘ Molecular system Engineering ‘. Z.L. och F.S. tackar stöd av Swiss National Science Foundation Division II bidrag. Alla författare tackar Quy Ong för givande diskussioner och för korrektur läsning av manuskriptet.
Materials
| 11-bromo-1-undecene | Sigma Aldrich | 467642-25 ml | |
| Sodium Sulfite | Sigma Aldrich | S0505-250 g | |
| Benzyltriethyl-ammonium bromide | Sigma Aldrich | 147125-25 g | |
| Methanol | VWR | BDH1135-2.5 LP | |
| DI water | Millipore | ZRXQ003WW | Deionized water |
| 1 L round bottom flask | DURAN | 24 170 56 | |
| Diethyl ether | Sigma Aldrich | 1.00930 EMD Millipore | |
| Stirring bar | Sigma Aldrich | Z329207, | |
| Dow Corning High Vacuum Grease | Sigma Aldrich | Z273554 ALDRICH | |
| Filtering flask | DURAN | 20 201 63 | |
| Filtering Buchner Funnel | FisherSci | 11707335 | |
| Ethanol >99.8%, ACS, Reagent | VWR | 2081.321DP | |
| Deuterium dioxide | Sigma Aldrich | 151882 ALDRICH | |
| Thioacetic acid 96% | Sigma Aldrich | T30805 ALDRICH | |
| Carbon black | Sigma Aldrich | 05105-1KG | |
| Celite | Sigma Aldrich | D3877 SIGMA-ALDRICH | Filtration medium |
| Condenser | Sigma Aldrich | Z531154 | |
| Hydrochloric acid, ACS reagent 37% | Sigma Aldrich | 320331 SIGMA-ALDRICH | |
| Sodium Hydroxide, BioXtra, pellets (anhydrous) | Sigma Aldrich | S8045 SIGMA-ALDRICH | |
| Centrifuge tubes | VWR | 525-0155P | |
| 250 mL round bottom flask | DURAN | 24 170 37 | |
| 500 mL round bottom flask | DURAN | 24 170 46 | |
| Nitric acid, fACS reagent 70% | Sigma Aldrich | 438073 SIGMA-ALDRICH | |
| Gold(III) chloride trihydrate >99.9% trace metal basis | Sigma Aldrich | 520918 ALDRICH | |
| 1-octanethiol >98.5% | Sigma Aldrich | 471836 ALDRICH | |
| Sodium Borohydride purum p.a.>96% | Sigma Aldrich | 71320 ALDRICH | |
| Separatory funnel | SIgma Aldrich | Z330655 SIGMA | |
| Funnel | DURAN | 21 351 46 | |
| 2V folded filtering papers | Whatman | 1202-150 | |
| Amicon filters | Merck | UFC903024 | |
| Iodine, ACS reagent, >99.8%, solid | Sigma Aldrich | 207772 SIGMA-ALDRICH | |
| 5 mm NMR-Tubes, Type 5HP (high precision) | Armar | 32210.503 | Length 178 mm |
| Methanol-d4 99.8 atom%D | Armar | 16400.2035 | |
| TGA crucible | Thepro | 9095-9270.45 | |
| 400 mesh carbon supported copper grid | Electron Microscopy Science | CF400-Cu | |
| quartz cuvette | Hellma Analytics | 100-1-40 |
References
- Verma, A., et al. Effect of surface properties on nanoparticle-cell interactions. Small. 6 (1), 12-21 (2010).
- Yeh, Y. -. C., et al. Gold nanoparticles: preparation, properties, and applications in bionanotechnology. Nanoscale. 4 (6), 1871-1880 (2012).
- Mirza, A. Z. A novel drug delivery system of gold nanorods with doxorubicin and study of drug release by single molecule spectroscopy. Journal of Drug Targeting. 23 (1), 52-58 (2015).
- Mirza, A. Z., et al. Fabrication and characterization of doxorubicin functionalized PSS coated gold nanorod. Arabian Journal of Chemistry. , (2014).
- Nel, A. E., et al. Understanding biophysicochemical interactions at the nano-bio interface. Nature Materials. 8 (7), 543-557 (2009).
- Yeo, E. L. L., et al. Protein Corona around Gold Nanorods as a Drug Carrier for Multimodal Cancer Therapy. ACS Biomaterials Science and Engineering. 3 (6), 1039-1050 (2017).
- Lin, J., et al. Cell membranes open "doors" for cationic nanoparticles/ biomolecules: Insights into uptake kinetics. ACS Nano. 7 (12), 10799-10808 (2013).
- Saha, K., et al. Regulation of Macrophage Recognition through the Interplay of Nanoparticle Surface Functionality and Protein Corona. ACS Nano. 10 (4), 4421-4430 (2016).
- Moyano, D. F., et al. Fabrication of corona-free nanoparticles with tunable hydrophobicity. ACS Nano. 8 (7), 6748-6755 (2014).
- Pengo, P., et al. Gold nanoparticles with patterned surface monolayers for nanomedicine: current perspectives. European Biophysics Journal. 46 (8), 749-771 (2017).
- Kuna, J. J., et al. The effect of nanometre-scale structure on interfacial energy. Nature Materials. 8 (10), 837-842 (2009).
- Verma, A., et al. Surface-structure-regulated cell-membrane penetration by monolayer-protected nanoparticles. Nature Materials. 7 (7), 588-595 (2008).
- Van Lehn, R. C., et al. Lipid tail protrusions mediate the insertion of nanoparticles into model cell membranes. Nature Communications. 5, 4482-4493 (2014).
- Cagno, V., et al. Broad-spectrum non-toxic antiviral nanoparticles with a virucidal inhibition mechanism. Nature Materials. 17 (2), 195-203 (2018).
- Uzun, O., et al. Water-soluble amphiphilic gold nanoparticles with structured ligand shells. Chemical Communications. 2 (2), 196-198 (2008).
- Huang, R., et al. Colloidal stability of self-assembled monolayer-coated gold nanoparticles: The effects of surface compositional and structural heterogeneity. Langmuir. 29 (37), 11560-11566 (2013).
- Carney, R. P., et al. Electrical method to quantify nanoparticle interaction with lipid bilayers. ACS Nano. 7 (2), 932-942 (2013).
- Van Lehn, R. C., et al. Effect of particle diameter and surface composition on the spontaneous fusion of monolayer-protected gold nanoparticles with lipid bilayers. Nano Letters. 13 (9), 4060-4067 (2013).
- Huang, R., et al. Effects of surface compositional and structural heterogeneity on nanoparticle-protein interactions: Different protein configurations. ACS Nano. 8 (6), 5402-5412 (2014).
- Van Lehn, R. C., et al. Free energy change for insertion of charged, monolayer-protected nanoparticles into lipid bilayers. Soft Matter. 10 (4), 648-658 (2014).
- Ong, Q., et al. Characterization of Ligand Shell for Mixed-Ligand Coated Gold Nanoparticles. Accounts of Chemical Research. 50 (8), 1911-1919 (2017).
- Marbella, L. E., et al. NMR techniques for noble metal nanoparticles. Chemistry of Materials. 27 (8), 2721-2739 (2015).
- Templeton, A. C., et al. Reactivity of Monolayer-Protected Gold Cluster Molecules Steric Effects. Journal of American Chemical Society. 120 (8), 1906-1911 (1998).
- Harkness, K. M., et al. A structural mass spectrometry strategy for the relative quantitation of ligands on mixed monolayer-protected gold nanoparticles. Analytical Chemistry. 82 (22), 9268-9274 (2010).
