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Química

Préparation Facile d'intérieur auto-assemblées particules lipides stabilisés par des nanotubes de carbone

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

Nous présentons une méthode facile de préparer des particules lipidiques nanostructurés stabilisés par des nanotubes de carbone (NTC). Monoparois (vierge) et multi-parois (fonctionnalisés) NTC sont utilisés comme stabilisants pour produire de type Pickering (H / E) des émulsions huile dans l'eau. Lipides savoir Dimodan® U et phytantriol sont utilisés comme émulsifiants, qui, dans l'excès d'eau auto-assemblent dans la phase cubique bicontinue Pn3m. Cette phase très visqueuse est fragmenté en petites particules à l'aide d'un appareil à ultrasons de la sonde en présence de stabilisateurs de tensioactifs classiques ou NTC que fait ici. Dans un premier temps, les nanotubes de carbone (en poudre) sont dispersées dans l'eau, puis par traitement aux ultrasons en outre avec le lipide fondu pour former l'émulsion finale. Pendant ce processus, les nanotubes de carbone enrobés d'obtenir des molécules lipidiques, qui à leur tour sont présumées pour entourer les gouttelettes lipidiques pour former une émulsion de particules qui est stable pendant des mois. La taille moyenne des particules lipidiques nanostructurés CNT stabilisées se trouve dans la r submicroniqueange, qui se compare favorablement avec les particules stabilisées en utilisant des tensioactifs classiques. Petit données angle de diffusion des rayons X confirme la conservation de la phase cubique Pn3m origine dans les dispersions lipidiques CNT stabilisées par rapport à la phase lipidique pur (état en vrac). Blue Shift et l'abaissement de l'intensité dans G caractéristique et bandes G 'de NTC observées en spectroscopie Raman caractérisent l'interaction entre la CNT surface et lipidiques molécules. Ces résultats suggèrent que les interactions entre les CNT et les lipides sont responsables de leur stabilisation mutuelle dans des solutions aqueuses. Comme les concentrations de NTC utilisés pour la stabilisation sont très faibles et molécules lipidiques sont en mesure de fonctionnaliser les nanotubes de carbone, la toxicité des NTC devrait être négligeable alors que leur biocompatibilité est grandement améliorée. D'où la présente approche trouve un grand potentiel dans diverses applications biomédicales, par exemple, pour le développement de systèmes de NanoCarrier hybrides pour la livraison de multiple Les molécules fonctionnelles comme dans une thérapie combinée ou une polythérapie.

Introduction

Au cours des dernières décennies, la nanotechnologie a émergé comme un outil puissant en particulier dans le domaine du développement préclinique de médicaments pour lutter contre les maladies notoires telles que le cancer 1. Dans ce contexte, les structures nanométriques dont la taille est <1000 nm sont largement explorée comme véhicule d'administration de diverses biomolécules actives telles que des médicaments, des protéines, des acides nucléiques, des gènes et des agents d'imagerie diagnostique 1-4. Ces biomolécules sont soit encapsulés dans des nanoparticules ou conjugués sur la surface de nanoparticules et sont libérés au niveau du site d'action par des déclencheurs tels que le pH de 5,6 ou de la température. Bien que très petite taille, la grande surface de ces nanoparticules se révèle être très avantageux pour l'administration ciblée de biomolécules actives. Le contrôle de la taille des particules et de la biocompatibilité est d'une importance capitale afin d'optimiser l'efficacité thérapeutique et donc l'applicabilité de nanoparticules 7,8.Lipides 9-13, polymères, métaux 14,15 16,17 et des nanotubes de carbone 18,19 ont été couramment utilisé comme nanocarriers pour diverses applications biomédicales et pharmaceutiques.

En outre, les applications basées sur NanoCarrier nanostructures auto-assemblées lipidiques ont une grande importance dans de nombreuses autres disciplines, y compris les industries alimentaires et cosmétiques 20,21. Par exemple, ils sont utilisés dans 22 la cristallisation des protéines, la séparation des biomolécules 23, comme stabilisants de produits alimentaires, par exemple, dans les desserts 24, et dans la fourniture de molécules actives, tels que des nutriments, des arômes et des parfums 25-31. Nanostructures auto-assemblées lipidiques ont non seulement la capacité à libérer des molécules bioactives d'une façon contrôlée et ciblée de 32 à 38, mais ils sont également capables de protéger les molécules fonctionnelles de la dégradation chimique et enzymatique 39,40. Bien bicouche fluide plane est le plus commsur nanostructure formée par des molécules de lipides amphiphiles en présence d'eau, d'autres structures telles que des hexagonale et cubique sont couramment observés 20,41,42. Le type de nanostructure formée dépendent de la structure moléculaire de la forme de lipides, la composition lipidique dans l'eau ainsi que les conditions physico-chimiques utilisées telles que la température et la pression 43. L'applicabilité de nanostructures de lipides non-planaires en particulier celle des phases cubiques, est limitée en raison de leur viscosité élevée et de non-cohérence homogène de domaine. Ces problèmes sont surmontés par disperser les nanostructures de lipides dans une grande quantité d'eau pour former des emulsions contenant du micron ou inférieure au micron de taille des particules lipidiques huile-dans-eau (H / E). De cette manière, un produit de faible viscosité approprié peut être préparé, tout en conservant la structure auto-assemblée de lipides d'origine à l'intérieur des particules dispersées. La formation de ces particules à l'intérieur de l'auto-assemblées (en abrégé 44 ISAsomes </sup> Par exemple, des phases et cubosomes hexosomes de phases hexagonales cubes) nécessite généralement une combinaison d'une étape d'entrée d'énergie élevée et l'addition de stabilisants tels que des agents tensio-actifs ou des polymères. Des recherches récentes dans cette direction démontre l'application de diverses particules solides 45 dont nanoparticules de silice 46, argile 47-49 et des nanotubes de carbone 50 pour la stabilisation d'émulsions précitées, convenablement qualifié de Pickering 51 ou émulsions Ramsden-Pickering 52.

Au cours des dernières années, le carbone nanostructures telles que des nanotubes de carbone à paroi simple (SWCNT) sur la base, les nanotubes à parois multiples carbone (MWCNT) et fullerènes ont reçu beaucoup d'attention en tant que nouveaux biomatériaux 53,54. Les principales préoccupations sont leur toxicité 55-58, insolubilité dans l'eau 59 et, partant, leur biocompatibilité 56. Un moyen efficace de résoudre ces problèmes est la fonction de la surfacelisation en utilisant des molécules non toxiques et biocompatibles tels que des lipides. En présence d'eau, interagissent avec les lipides NTC de façon à surface hydrophobe de NTC est protégé de milieu aqueux polaire tandis que les groupes de tête lipidiques hydrophiles facilitent leur solubilité dans l'eau ou d'une dispersion 60,61. Les lipides sont des composants intégraux des organites cellulaires ainsi que des matières alimentaires, par conséquent, leur décoration devrait idéalement diminuer la toxicité in vivo des NTC. Applications biomédicales à base indépendamment sur ​​NTC 18,19 et nanostructures lipidiques 9-13 sont en cours de développement étendu, mais les applications qui combinent des propriétés des deux ne sont pas encore bien explorées.

Dans ce travail, nous utilisons deux types de lipides et de trois types de nanotubes de carbone dont SWCNTs sont sous la forme vierge alors MWCNTs sont fonctionnalisés par des groupes hydroxyle et carboxyliques. Nous avons utilisé des concentrations très faibles de nanotubes de carbone pour préparer les dispersions dontstabilité dépend de plusieurs facteurs, par exemple, le type de lipide, le type de CNT, le rapport de lipide de CNT utilisés, ainsi que sur les paramètres de sonication employées telles que l'énergie et la durée. Ce protocole vidéo fournit des détails techniques d'un procédé de stabilisation cinétique nanoparticules lipidiques en utilisant différents stabilisants CNT.

Protocol

Attention: NTC utilisées dans ce travail sont sous la forme de nanoparticules qui peut avoir des risques supplémentaires par rapport à leurs homologues en vrac. L'inhalation de graphite, à la fois naturels et synthétiques, peut causer une pneumoconiose 62 similaire à la pneumoconiose du mineur de charbon. En outre, il y a eu des préoccupations relatives à la toxicité des nanostructures à base de carbone et de quelques-unes des études antérieures suggèrent toxicité aiguë et chronique associée à l'inhalatio…

Representative Results

Les résultats suivants représentent a) la stabilité des dispersions, b) la distribution des tailles de particules lipidiques, c) le type de l'autoassemblage et d) la preuve de revêtement lipidique des NTC. La stabilité des dispersions (figure 2) a été contrôlé à l'aide d'un appareil photo de 5 mégapixels avec auto-focus et flash LED. <img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/53489/53489f…

Discussion

La stabilisation des particules lipidiques
Trois NTC différents sont utilisés pour stabiliser les dispersions de lipides; dont deux sont multi-parois et fonctionnalisés utilisant -OH et -COOH, et on est à paroi simple et non fonctionnalisés (vierge). Le CNT a varié en taille comme suit (diamètre x longueur): MWCNT-COOH: 9,5 nm x 1,5 um; MWCNT-OH: 8-15 nm x 50 pm; SWCNT: 1-2 nm x 1-3 pm. Les NTC poudre ont été dispersées dans l'eau par la sonde ultra-sonication. tailles précitées d…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Nous tenons à remercier le Dr Matthew J. Baker, maintenant à l'Université de Strathclyde, Glasgow pour le soutien à des expériences Raman et M. Nick Gaunt pour son travail préalable de ce projet.

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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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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