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Química

Preparação Facile da Internamente auto-montados Lipid partículas estabilizada 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

Nós apresentamos um método fácil de preparar partículas lipídicas nanoestruturados estabilizados por meio de nanotubos de carbono (CNT). De parede única (primitivo) e com paredes múltiplas (funcionalizados) nanotubos de carbono são usados ​​como estabilizadores para produzir emulsões de tipo óleo Pickering-em-água (O / W). Os lípidos ou seja, Dimodan L e Phytantriol são utilizados como emulsionantes, que em excesso de água auto-montar em fase cúbica bi continua Pn3m. Esta fase altamente viscoso é fragmentada em partículas menores, utilizando uma sonda ultrasonicator na presença de estabilizadores surfactantes convencionais ou nanotubos de carbono como feito aqui. Inicialmente, os nanotubos de carbono (pó) são dispersos em água seguido de mais ultra-sons, com o lípido fundido para formar a emulsão final. Durante este processo, os nanotubos de carbono se revestido com moléculas de lípidos, as quais, por sua vez, se suponha que rodeiam as gotículas de gordura para formar uma emulsão de partículas que é estável durante meses. O tamanho médio das partículas lipídicas nanoestruturados CNT-estabilizado é no submicrónica range, o que compara bem com as partículas estabilizadas utilizando surfactantes convencionais. Dados de Raios X de ângulo pequeno espalhamento confirma a retenção da fase cúbica inicial Pn3m nas dispersões de lípidos CNT-estabilizados em relação à fase lipídica pura (estado a granel). deslocamento para o azul e abaixamento das intensidades de bandas característico e L de nanotubos de carbono observados em espectroscopia Raman G 'caracterizar a interacção entre moléculas de superfície e de lípidos CNT. Estes resultados sugerem que as interacções entre os nanotubos de carbono e lípidos são responsáveis ​​pela sua estabilização mútua em soluções aquosas. À medida que as concentrações de nanotubos de carbono empregues para a estabilização são muito baixos e as moléculas de lípidos são capazes de funcionalizar os nanotubos de carbono, é esperado que a toxicidade de nanotubos de carbono a ser insignificante, enquanto a sua biocompatibilidade é grandemente aumentada. Por conseguinte, a presente abordagem encontra um grande potencial em várias aplicações biomédicas, por exemplo, para o desenvolvimento de sistemas de nanocarrier híbridos para a entrega de multiple moléculas funcionais como em terapia de combinação ou politerapia.

Introduction

Ao longo das últimas décadas, a nanotecnologia emergiu como uma ferramenta poderosa especialmente na área de desenvolvimento pré-clínico de medicamentos para combater doenças tais como cancro notórios 1. Neste contexto, as estruturas em nano-escala com um tamanho <1000 nm são amplamente explorados como veículo de entrega de várias biomoléculas activas tais como drogas, proteínas, ácidos nucleicos, genes e agentes de diagnóstico por imagem 1-4. Estas biomoléculas ou são encapsulados dentro das nanopartículas ou conjugado sobre a superfície das nanopartículas e são libertados no sítio da acção por disparadores tais como pH 5,6 ou temperatura. Embora extremamente pequeno em tamanho, a grande área de superfície destas nanopartículas prova ser muito vantajosa para a entrega direccionada de biomoléculas activas. O controlo sobre o tamanho de partícula e biocompatibilidade é de extrema importância, a fim de optimizar a eficácia terapêutica e, por conseguinte, a aplicabilidade de nanopartículas 7,8.Lipídios 9-13, polímeros, metais 14,15 16,17 e nanotubos de carbono 18,19 têm sido comumente empregada como nanocarriers para várias aplicações biomédicas e farmacêuticas.

Além disso, as aplicações nanocarrier baseados em nanoestruturas auto-organizadas de lipídios têm uma grande importância em muitas outras disciplinas, incluindo alimentos e indústrias de cosméticos 20,21. Por exemplo, eles são utilizados na cristalização de proteínas 22, 23 de separação de biomoléculas, como por exemplo estabilizadores alimentares, em sobremesas 24, e na entrega de moléculas activas, tais como nutrientes, aromatizantes e perfumes 25-31. Nanoestruturas de lípidos auto-montadas não só têm a capacidade de libertar moléculas bioactivas, de forma controlada e direccionada 32-38, mas que também são capazes de proteger as moléculas funcionais de degradação química e enzimática 39,40. Embora bicamada fluido planar é a mais Commna nanoestrutura formada por moléculas de lípidos anfifílicos em presença de água, outras estruturas tais como a hexagonal e cúbica são também frequentemente observadas 20,41,42. O tipo de nanoestrutura formado dependerá estrutura forma molecular dos lípidos, a composição lipídica em água, bem como sobre as condições físico-químicas empregues, tais como a temperatura e pressão 43. A aplicabilidade de nanoestruturas de lípidos não planares que especialmente de fases cúbicas, é restrito devido à sua elevada viscosidade e consistência domínio não-homogênea. Estes problemas são ultrapassados ​​por dispersão dos nanoestruturas lipídicas em grande quantidade de água para formar emulsões que contêm micron ou submicron partículas lipídicas dimensionada de óleo-em-água (O / W). Desta maneira, um produto adequado de baixa viscosidade podem ser preparados mantendo a estrutura auto-montada lipídica original para dentro das partículas dispersas. A formação destas partículas auto-montadas internamente (abreviado como 44 ISAsomes </sup> Por exemplo, cubosomes de fases cúbicas e hexagonais hexosomes de fases) normalmente requer uma combinação de um passo de entrada de alta energia e a adição de estabilizadores, tais como agentes tensioactivos ou polímeros. Uma pesquisa recente neste sentido demonstra a aplicação de várias partículas sólidas 45, incluindo nanopartículas de sílica 46, argila 47-49 e nanotubos de carbono 50 para a estabilização de emulsões acima mencionados, adequadamente denominado como Pickering 51 ou emulsões Ramsden-Pickering 52.

Nos últimos anos, o carbono nanoestruturas como nanotubos de parede única de carbono (SWCNTs) com base, os nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs) e fulerenos ter recebido uma grande atenção como novos biomateriais 53,54. As principais preocupações são a sua toxicidade 55-58, insolubilidade em água 59 e, portanto, sua biocompatibilidade 56. Uma maneira eficiente de resolver estas questões é a função de superfíciezação por meio de moléculas não-tóxicos e biocompatíveis tais como lípidos. Na presença de água, os lípidos interagir com os nanotubos de carbono de forma que a superfície hidrofóbica dos nanotubos de carbono é protegido a partir de meio aquoso polar enquanto que os grupos de cabeça hidrófilos de lípidos auxiliar a sua solubilidade em água ou dispersão 60,61. Os lípidos são componentes integrais de organelos celulares, bem como alguns materiais alimentares, por conseguinte, a sua decoração devem, idealmente, diminuir a toxicidade in vivo de nanotubos de carbono. Aplicações biomédicas com base independentemente em nanotubos de carbono 18,19 e nanoestruturas lipídicas 9-13 estão em desenvolvimento extenso, mas as aplicações que combinam as propriedades dos dois ainda não são bem-explorado.

Neste trabalho, empregamos dois tipos diferentes de lipídios e três tipos de nanotubos de carbono dos quais SWCNTs estão na forma pura enquanto MWCNTs são funcionalizado com hidroxilo e grupos carboxílicos. Usámos concentrações muito baixas de nanotubos de carbono para preparar as dispersões cujosestabilidade depende de vários factores, por exemplo, o tipo de lípido, tipo de CNT, razão de lípido para CNT utilizado, bem como sobre os parâmetros de sonicação empregues, tais como o poder e a duração. Este protocolo de vídeo fornece detalhes técnicos de um método de cineticamente estabilização nanopartículas lipídicas utilizando várias CNT-estabilizadores.

Protocol

Cuidado: os nanotubos de carbono usados ​​neste trabalho estão na forma de nanopartículas, que podem ter riscos adicionais em comparação com as suas contrapartes granel. A inalação de grafite, tanto naturais como sintéticas, podem causar pneumoconiose 62 semelhante a pneumoconiose dos mineiros de carvão. Além disso, tem havido preocupações relativamente à toxicidade de nanoestruturas à base de carbono e alguns dos estudos anteriores sugerem que a toxicidade aguda e crónica associada com a inalação de nanotubos…

Representative Results

Os resultados seguintes representam a) a estabilidade de dispersões, b), a distribuição do tamanho de partículas de lípidos, c) do tipo de auto-montagem e d) a evidência para o revestimento lipídico de nanotubos de carbono. A estabilidade das dispersões (Figura 2) foi monitorado usando uma câmera de 5 MP com foco automático e flash LED. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/53489/53489fig2.jpg" /…

Discussion

A estabilização de partículas lipídicas
Três nanotubos de carbono diferentes são usados ​​para estabilizar as dispersões de lípidos; dois dos quais são de paredes múltiplas e funcionalizado utilizando -OH e grupos -COOH, e um único é murado e não-funcionalizado (primitivo). O CNT variaram em tamanho, como se segue (diâmetro x comprimento): MWCNT-COOH: 9,5 nm x 1,5 m; MWCNT-OH: 8-15 nm x 50 mm; SWCNT: 1-2 nm x 1-3 | im. Os nanotubos de carbono em pó foram dispersas em água por …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Nós gostaríamos de agradecer ao Dr. Matthew J. Baker, agora na Universidade de Strathclyde, em Glasgow para o apoio com experimentos Raman e Mr. Nick Gaunt por seu trabalho antes deste projeto.

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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