Facile Herstellung von Intern Selbstorganisierte Lipidpartikel stabilisiert durch Kohlenstoff-Nanoröhren

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

Wir präsentieren eine einfache Methode nanostrukturierte Lipidpartikel von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) stabilisiert vorzubereiten. Einwandig (unberührte) und mehrwandig (funktionalisierte) CNTs als Stabilisatoren verwendet Pickering Typ Öl-in-Wasser (O / W) Emulsionen zu erzeugen. Lipide nämlich Dimodan U und Phytantriol als Emulgatoren, die in überschüssiges Wasser durch Selbstorganisation in die bikontinuierliche kubische Pn3m Phase verwendet. Diese hochviskose Phase wird in kleinere Partikel zerlegt eine Sonde Ultraschallgerät in Gegenwart von üblichen Tensid Stabilisatoren oder CNTs verwendet wie hier geschehen. Zunächst werden die CNTs (Pulverform) in Wasser, gefolgt von weiteren Ultraschallbehandlung mit dem geschmolzenen Lipid dispergiert, um die endgültige Emulsion zu bilden. Während dieses Prozesses erhalten die CNTs mit Lipid-Molekülen beschichtet, die wiederum davon ausgegangen werden, um die Lipidtröpfchen umgibt einen partikulären Emulsion zu bilden, die über Monate stabil ist. Die durchschnittliche Größe der nanostrukturierten Lipidpartikel-CNT stabilisiert ist im Submikron-range, die gut mit den Partikeln vergleicht stabilisiert herkömmliche Tenside verwenden. Kleinwinkel-Röntgenstreuungsdaten bestätigt die Beibehaltung der ursprünglichen Pn3m kubischen Phase in den CNT-stabilisiertes Lipid-Dispersionen im Vergleich zu den reinen Lipidphase (bulk state). Blauverschiebung und Senken der Intensitäten in Charakteristik G und G Bänder von CNTs in der Raman-Spektroskopie beobachtet die Interaktion zwischen CNT Oberfläche und Lipidmoleküle zu charakterisieren. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Wechselwirkungen zwischen den CNTs und Lipiden zur gegenseitigen Stabilisierung in wässrigen Lösungen verantwortlich sind. Da die Konzentrationen der zur Stabilisierung eingesetzten CNTs sind sehr niedrig und Lipidmoleküle sind in der Lage, die CNTs, die Toxizität von CNTs zu funktionalisieren, ist unbedeutend zu erwarten, während ihre Biokompatibilität stark verbessert wird. Daher ist die vorliegende Ansatz findet ein großes Potenzial in verschiedenen biomedizinischen Anwendungen, zum Beispiel für die Lieferung von m Hybrid-Nanotransporter Systeme zu entwickelnehrere funktionelle Moleküle wie in der Kombinationstherapie oder Fachtherapie.

Introduction

Im Laufe der letzten Jahrzehnte, ^ein Nanotechnologie hat sich als leistungsfähiges Werkzeug, vor allem im Bereich der präklinischen Entwicklung der Medizin zur Bekämpfung der notorischen Krankheiten wie Krebs entwickelt. In diesem Zusammenhang nanoskalige Strukturen mit einer Größe von <1000 nm in großem Umfang als Träger zur Freisetzung von verschiedenen aktiven Biomoleküle, wie Medikamente, Proteine, Nukleinsäuren, Gene und diagnostischen Bildgebungsmitteln ^1-4 untersucht werden. Diese Biomoleküle sind entweder in den Nanopartikeln verkapselt oder konjugiert auf die Oberfläche der Nanopartikel und am Wirkort durch Auslöser wie pH oder Temperatur ^5,6 freigesetzt. Obwohl extrem klein erweist sich die große Oberfläche dieser Nanopartikel zur gezielten Abgabe von aktiven Biomoleküle von großem Vorteil sein. Die Kontrolle über die Teilchengröße und Biokompatibilität ist von äußerster Wichtigkeit, um die therapeutische Wirksamkeit und somit die Anwendbarkeit von Nanopartikeln ^7,8 zu optimieren.Lipide ^9-13, Polymere ^14,15, Metalle ^16,17 und Kohlenstoff-Nanoröhren ^18,19 wurden als Nanotransporter für verschiedene biomedizinische und pharmazeutische Anwendungen angewendet.

Darüber hinaus Nanotransporter Anwendungen auf Basis von Lipidselbstorganisierte Nanostrukturen haben eine große Bedeutung in vielen anderen Disziplinen, darunter Lebensmittel- und Kosmetikindustrie ^20,21. Zum Beispiel sind sie in der Proteinkristallisation ^{22, 23} Trennung von Biomolekülen, wie Lebensmittelstabilisatoren beispielsweise in Desserts ^{24 und} in der Lieferung von aktiven Molekülen, wie Nährstoffe, Geschmacksstoffe und Duftstoffe ^25-31 verwendet. Selbstorganisierte Lipidnanostrukturen haben nicht nur die Möglichkeit, bioaktive Moleküle zu lösen, in einer kontrollierten und zielgerichtet ^32-38, aber sie sind auch in der Lage die funktionellen Moleküle aus chemischen und enzymatischen Abbau ^39,40 zu schützen. Obwohl planare Fluiddoppelschicht ist die commauf Nanostruktur durch amphiphilen Lipidmolekülen in Gegenwart von Wasser, andere Strukturen wie hexagonal und kubisch sind auch häufig ^20,41,42 gebildet beobachtet. Die Art der Nanostruktur gebildet hängen von der Molekülform Struktur "Lipide der Lipidzusammensetzung in Wasser als auch auf die physikalisch-chemischen Bedingungen eingesetzt, wie Temperatur und Druck ^43. Die Anwendbarkeit der nicht-planaren Lipidnanostrukturen insbesondere von kubischen Phasen ist beschränkt aufgrund ihrer hohen Viskosität und inhomogene Domänen Konsistenz. Diese Probleme werden überwunden, indem die Lipid-Nanostrukturen in großen Wassermenge dispergiert Öl-in-Wasser (O / W) Emulsionen Mikron oder Submikrongröße Lipidteilchen zu bilden. Auf diese Weise kann ein geeignetes Produkt mit niedriger Viskosität hergestellt werden, während die ursprüngliche Lipidselbstorganisierte Struktur im Inneren der dispergierten Teilchen zu halten. Die Bildung dieser intern selbstorganisierten Teilchen (abgekürzt als ISAsomes ⁴⁴ </sup> ZB erfordert üblicherweise eine Kombination aus einem hohen Energieeingabeschritt und den Zusatz von Stabilisatoren wie Tenside oder Polymere cubosomes aus kubischen Phasen und hexosomes von hexagonalen Phasen). Jüngste Forschungen in diese Richtung zeigt die Anwendung der verschiedenen Feststoffpartikeln ⁴⁵ mit Silica-Nanopartikel ^46, Ton ^47-49 und Kohlenstoff-Nanoröhren ⁵⁰ für die Stabilisierung der zuvor genannten Emulsionen, in geeigneter Weise bezeichnet als Pickering ^{51 oder} Ramsden-Pickering-Emulsionen ^52.

In den letzten Jahren auf Kohlenstoff basierenden Nanostrukturen wie einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) wurden mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs) und Fullerene ein hohes Maß an Aufmerksamkeit wie neuartigen Biomaterialien ^53,54 erhalten. Die wichtigsten Anliegen sind ihre Toxizität ^55-58, Wasserunlöslichkeit ⁵⁹ und damit ihre Biokompatibilität ^56. Ein effizienter Weg, um diese Probleme anzugehen ist die Oberflächenfunktionsierung unter Verwendung nicht-toxisch und biokompatibel Moleküle wie Lipide. In Gegenwart von Wasser, Lipide mit CNTs in einer Weise zusammenwirken, dass hydrophobe Oberfläche von CNTs aus polaren wässrigen Medium abgeschirmt wird, während die Lipidhydrophile Kopfgruppen ihre Löslichkeit oder Dispersion in Wasser helfen ^60,61. Lipide sind integrale Bestandteile von Zellorganellen wie auch einige Nahrungsmittelmaterialien, damit deren Dekoration idealerweise die in vivo Toxizität von CNTs abnehmen sollte. Biomedizinische Anwendungen basierend unabhängig auf CNTs ^18,19 und Lipidnanostrukturen ^13.9 sind unter intensiver Entwicklungs aber die Anwendungen, die Eigenschaften der beiden zu kombinieren sind noch nicht gut erforscht.

In dieser Arbeit beschäftigen wir zwei verschiedene Arten von Lipiden und drei Arten von CNTs von denen SWCNTs in der ursprünglichen Form sind während MWCNTs mit Hydroxyl und Carbonsäuregruppen funktionalisiert sind. Wir haben sehr niedrige Konzentrationen von CNTs verwendet, um die Dispersionen herzustellen, derenStabilität hängt von verschiedenen Faktoren wie zB der Art des Lipids, der Art der CNT, Verhältnis von Lipid zu CNT verwendet werden, sowie auf die Beschallung Parameter verwendet, wie Leistung und Dauer. Diese Video-Protokoll bietet technische Details eines Verfahrens zur Lipidnanopartikel mit verschiedenen CNT-Stabilisatoren kinetisch zu stabilisieren.

Protocol

Achtung: CNTs in dieser Arbeit sind in der nanopartikulären Form, die zusätzliche Gefahren haben im Vergleich zu ihren Massen Pendants. Das Einatmen von Graphit, sowohl natürliche als auch synthetische, können Staublunge 62 ähnlich wie Kohle Arbeiterlunge verursachen. Darüber hinaus gab es Bedenken, auf die Toxizität von auf Kohlenstoff basierenden Nanostrukturen und einige der früheren Studien schlagen vor, im Zusammenhang akute und chronische Toxizität mit dem Einatmen von CNTs 63-68 verbunden. Daher vermeid…

Representative Results

Die folgenden Ergebnisse für a) die Stabilität der Dispersionen, b) die Größenverteilung der Lipidpartikel, c) die Art der Selbstorganisation und d) den Nachweis für die Lipid-Beschichtung der CNTs. Die Stabilität von Dispersionen (Abbildung 2) wurde mit einem 5-Megapixel-Kamera mit Autofokus und LED-Blitz überwacht. Figur 2 …

Discussion

Stabilisierung von Lipidteilchen
Drei verschiedene CNTs werden verwendet, um die Lipiddispersionen zu stabilisieren; zwei davon sind mehrwandige und mit -OH und -COOH-Gruppen funktionalisiert sind, und eine einwandige und nicht funktionalisierten (unberührte) ist. Die CNTs in der Größe variiert wie folgt (Durchmesser x Länge): MWCNT-COOH: 9,5 nm x 1,5 um; MWCNT-OH: 8-15 nm x 50 & mgr; m; SWCNT: 1-2 nm x 1-3 um. Die pulverisierten CNTs wurden in Wasser durch die Sonde Ultraschallbehandlung…

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).