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Química

カーボンナノチューブにより安定化内部自己組織化脂質粒子の簡便な調製

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

我々は、カーボンナノチューブ（CNT）によって安定化されたナノ構造脂質粒子を調製する容易な方法を提示します。壁シングル（原始）及び多重壁（官能化）カーボンナノチューブは、ピカリング型水中油型（O / W）エマルジョンを製造するために安定剤として使用されます。脂質はすなわち、のDimodan U及びフィタントリオールは、過剰の水の中で、バイコンティニュアスキュービックPn3m相に自己集合乳化剤として使用されています。この高粘性相は、ここで行ったように、従来の界面活性剤安定剤またはCNTの存在下で、プローブ超音波処理を使用して、より小さな粒子に断片化されています。最初に、カーボンナノチューブ（粉末状）は、最終的なエマルジョンを形成する溶融脂質とさらなる超音波処理、続いて水に分散されています。このプロセスの間にCNTを順番にヶ月間安定である粒子状のエマルジョンを形成する脂質滴を囲むように推定される脂質分子、で被覆されます。 CNT安定化ナノ構造脂質粒子の平均サイズは、サブミクロンのRであり粒子とよく比較angeさんは、従来の界面活性剤を用いて安定化。純粋な脂質相（バルク状態）に比べて、小角X線散乱データは、CNT-安定化脂質分散液中の元のPn3mキュービック相の保持を確認します。ブルーシフトと特性Gとラマン分光法で観察されたCNTのG 'バンドにおける強度の低下は、CNT表面と脂質分子間の相互作用を特徴づけます。これらの結果は、カーボンナノチューブと脂質との相互作用が、水溶液中でそれらの相互の安定化に関与していることを示唆しています。安定化のために用いられるカーボンナノチューブの濃度は非常に低く、脂質分子はCNTを官能化することが可能であるので、その生体適合性が大幅に向上しているが、CNTの毒性は軽微であると予想されます。したがって、本発明の方法は、メートルの送達のためのハイブリッドナノキャリアシステムを開発するために、例えば、様々な生物医学的応用に大きな可能性を発見しますultiple併用療法またはpolytherapyのような機能性分子。

Introduction

過去数十年にわたり、ナノテクノロジーは、特に、癌の1のような悪名高い病気と闘うための薬の前臨床開発の分野で強力なツールとして浮上しています。この文脈において、サイズのナノスケール構造体は、<1000nmでは、広くそのような薬物、タンパク質、核酸、遺伝子および診断用造影剤1-4のような種々の活性な生体分子の送達媒体として調査されています。これらの生体分子は、いずれのナノ粒子内にカプセル化またはナノ粒子の表面に結合させ、例えばpHや温度5,6のようなトリガーによって作用部位で放出されるされています。サイズは非常に小さいが、これらのナノ粒子の大きな表面積は、活性生体分子の標的化送達のために非常に有利であることがわかります。粒子サイズおよび生体適合性の制御は、治療有効性、従って、ナノ粒子7,8の適用可能性を最適化するために最も重要です。脂質9-13、ポリマー14,15、金属16,17およびカーボンナノチューブ18,19は、一般的に 、様々な生物医学および医薬用途のためのナノ担体として用いられてきました。

また、脂質自己組織化ナノ構造に基づくナノキャリアアプリケーションは、食品および化粧品産業20,21を含む他の多くの分野の広い意味を持っています。例えば、それらは 、例えば、デザート24において、そのような栄養素、香味料および香料25-31のような活性分子の送達における食品安定剤として、タンパク質結晶22、生体分子23の分離に使用されています。自己組織化脂質ナノ構造を制御し、目標とファッション32-38で生理活性分子を放出する能力を持っているだけでなく、彼らはまた、化学的および酵素分解39,40から機能性分子を保護することができます。平面流体二重層は、ほとんどのCOMMですが水の存在下で両親媒性脂質分子により形成されるナノ構造体に、例えば、六角形及び立方体のような他の構造も一般20,41,42が観察されます。ナノ構造形成のタイプは、水ならびにそのような温度及び圧力43として用いる物理化学的条件脂質」分子形状の構造、脂質組成に依存します。キュービック相の、特にその非平面脂質ナノ構造の適用は、その高い粘度および不均質なドメインの整合性を制限されています。これらの問題は、ミクロンまたはサブミクロンサイズの脂質粒子を含有する水中油型（O / W）エマルジョンを形成するために大量の水での脂質ナノ構造を分散させることによって克服されます。分散粒子内部の元の脂質の自己集合構造を保持しながら、このようにして、低粘度の適切な製品を製造することができます。これらの内部で自己組織化粒子の形成は、（ISAsomes 44と略します</sup> 例えば、立方晶相と六方晶相からhexosomes）からキュボソームは、一般的に高エネルギーの入力ステップと、このような界面活性剤やポリマーなどの安定剤の添加の組み合わせを必要とします。この方向での最近の研究では、適切にピカリング51またはラムスデン-ピカリング乳剤52と呼ばシリカナノ粒子46は、上記エマルションの安定化のための粘土47-49カーボンナノチューブ50を含む様々な固体粒子45のアプリケーションを示しています。

近年では、単層カーボンナノチューブ（SWCNTの）として、炭素系ナノ構造、多層カーボンナノチューブ（MWCNT）とフラーレンは、新規の生体材料53,54として大きな注目を受 ​​けています。主な懸念は、その毒性55-58、水不溶性59、したがって、それらの生体適合性56です。これらの問題に取り組むための効率的な方法は、表面関数でありますそのような脂質のような非毒性および生体適合性分子を使用alization。水の存在下において、脂質は、脂質の親水性頭部基が水60,61におけるそれらの溶解性または分散を助ける一方、CNTの疎水性表面は、極性水性媒体から遮蔽されてなる ​​ようにカーボンナノチューブと相互作用します。脂質は、したがって、それらの装飾は、理想的には、CNTのin vivoでの毒性を減少させる必要があり、細胞小器官だけでなく、いくつかの食品素材の一体的な構成要素です。カーボンナノチューブ18,19および脂質ナノ構造体9-13に独立基づく生物医学的用途は、広範な開発が進められているが、2つの特性を組み合わせるアプリケーションでは、まだ十分に探求されていません。

この研究では、脂質の二種類やたMWCNTは、ヒドロキシルおよびカルボキシル基で官能化されている一方のSWCNTは、自然のままの形態であるのCNTの三種類を採用します。我々は、その分散液を調製したCNTの非常に低い濃度を使用しています安定性は、 例えば、脂質、CNTの種類、使用されるCNTに対する脂質の比率の種類、ならびにそのようなパワーと持続時間として用い、超音波処理パラメータにいくつかの要因に依存します。このビデオプロトコルは、動力学的に様々なCNT-安定剤を使用して、脂質ナノ粒子を安定化する方法の技術的な詳細を提供します。

Protocol

注意：この作業で使用されるCNTは、それらのバルクの対応と比較して、追加の危険性を有することができるナノ粒子形態です。グラファイトの吸入は、天然および合成の両方、石炭労働者のじん肺に似塵肺62を引き起こす可能性があります 。また、炭素系ナノ構造体の毒性に関する懸念があったと以前の研究の一部は、カーボンナノチューブ63から68の吸入に伴う急性および慢性毒性を示唆?…

Representative Results

以下の結果は、分散液の）安定性、脂質粒子のb）の粒度分布、自己集合及びDのC）タイプ）CNTの脂質コーティングの証拠を表します。分散液の安定性（ 図2）は、オートフォーカスとLEDフラッシュで5 MPのカメラを用いてモニターしました。 CNTの種類（A…

Discussion

脂質粒子の安定化
三つの異なるCNTは、脂質分散体を安定化するために使用されます。二は、多重壁及び-OH及び-COOH基を用いて官能化され、一方は壁の単一および非官能（原始）です。 MWCNT-COOH：（直径×長さ）は、以下のようにカーボンナノチューブのサイズは変化し9.5ナノメートル×1.5ミクロン。 MWCNT-OH：8-15 nmの×50ミクロン。 SWCNT：1-2 nmでのx 1-3ミクロン。粉末状のCNTをプ…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

私たちは、このプロジェクトの彼の前の仕事のためのラマン実験氏とニック・ゴーントとサポートのために今ストラスクライド、グラスゴー大学の博士マシュー・J・ベイカーを、感謝したいと思います。

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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