Kvantitativ og kvalitativ undersøkelse av Partikkel-partikkel interaksjoner ved hjelp av kolloidalt Probe Nanoscopy

Summary

Colloidal probe nanoscopy can be used within a variety of fields to gain insight into the physical stability and coagulation kinetics of colloidal systems and aid in drug discovery and formulation sciences using biological systems. The method described within provides a quantitative and qualitative means to study such systems.

Abstract

Colloidal Probe Nanoscopy (CPN), the study of the nano-scale interactive forces between a specifically prepared colloidal probe and any chosen substrate using the Atomic Force Microscope (AFM), can provide key insights into physical interactions present within colloidal systems. Colloidal systems are widely existent in several applications including, pharmaceuticals, foods, paints, paper, soil and minerals, detergents, printing and much more.^1-3 Furthermore, colloids can exist in many states such as emulsions, foams and suspensions. Using colloidal probe nanoscopy one can obtain key information on the adhesive properties, binding energies and even gain insight into the physical stability and coagulation kinetics of the colloids present within. Additionally, colloidal probe nanoscopy can be used with biological cells to aid in drug discovery and formulation development. In this paper we describe a method for conducting colloidal probe nanoscopy, discuss key factors that are important to consider during the measurement, and show that both quantitative and qualitative data that can be obtained from such measurements.

Introduction

Atomic force microscopy (AFM) er en teknikk som muliggjør kvalitativ og kvantitativ avbildning og sondering av et materiale som overflaten. ^4-6 Tradisjonelt AFM benyttes for evaluering av overflatetopografi, morfologi og struktur av fler phasic materialer. AFM har evnen til kvantitativt vurdere nano-skala interaksjoner, for eksempel kostnad, tiltrekning, frastøting og heft krefter mellom en bestemt probe og underlag i både luft og flytende medier. ^7,8 Den AFM opprinnelig utviklet av Binning, Quate og Gerber ⁹ bruksområder en sonde av kjent / bestemt følsomhet og våren konstant å nærme seg og / eller skanne en prøve. På grunn av de fysiske vekselvirkninger mellom sonden og prøven, cantilever avledet ved kontakt eller nærhet og avhengig av driftsmodusen kan denne avbøyning settes å skaffe topografien av prøven eller måle krefter tilstede mellom probe og prøve. Modifikasjoner på AFM tekniskque, slik som kolloidalt probe nanoscopy, har ¹⁰ tillatt forsker for å direkte vurdere nano-force interaksjoner mellom to materialer som finnes i et kolloidalt system av interesse.

I kolloidalt probe nanoscopy, er en sfærisk partikkel av grepet er festet til toppen av en konsoll, ved å erstatte de tradisjonelle koniske og pyramidale tips. En sfærisk partikkel er ideell for å tillate sammenligning med teoretiske modeller som Johnson, Kendal, Roberts (JKR) ¹¹ og Derjaguin, Landau, Vervwey, Overbeek (DLVO) ^12-14 teorier og å minimere påvirkning av overflateruhet på målingen. ¹⁵ Disse teoriene brukes til å definere kontakt mekanikk og inter-partikkel styrkene forventes innenfor et kolloidalt system. Den DLVO teorien kombinerer de attraktive van der Waal krefter og frastøtende elektrostatiske krefter (på grunn av elektriske doble lag) til kvantitativt forklare aggregering oppførsel av vandige kolloidale systemer, mens JKR teori omfatter effekten av kontakttrykket og adhesjon til modellen elastisk kontakt mellom to komponenter. Så snart en passende probe er produsert, blir den brukt til å nærme seg en hvilken som helst annet materiale / partikkel for å evaluere kreftene mellom de to komponentene. Ved hjelp av en standard fremstilt spiss vil være i stand til å måle interaktive krefter mellom at spissen og et materiale av valg, men fordelen med å bruke et spesiallaget kolloidalt sonde tillater måling av krefter som finnes mellom materialer som finnes i det studerte system. Målbare interaksjoner omfatter:.. Klebemiddel, attraktiv, frastøtende, ladning, og til og med elektrostatiske krefter til stede mellom partiklene ^16. I tillegg kan det kolloidale probe teknikken brukes til å utforske tangensielle krefter til stede mellom partikler og materiale elastisitet ^17,18

Evnen til å utføre målinger i forskjellige media er en av de store fordelene med kolloidalt probe nanoscopy. Omgivelsesbetingelser, flytende media eller fuktighetskontrollerte forhold kan alle brukes til å etterligne miljømessige forholdene i systemet undersøkt. Evnen til å foreta målinger i et flytende miljø muliggjør studium av kolloidale systemer i et miljø som det naturlig forekommer; således å være i stand til kvantitativt å erverve data som er direkte oversettbare til systemet i sin naturlige tilstand. For eksempel kan partikkelinteraksjoner stede i doserte doseinhalatorer (MDI) blir undersøkt ved bruk av en modell flytende drivmiddel med liknende egenskaper til drivmidlet som brukes i MDIs. De samme interaksjoner, målt i luft ikke vil være representativ for systemet eksisterer i inhalatoren. Dessuten kan det flytende medium være modifisert for å evaluere effekten av fuktighetsinntrengning, et sekundært overflateaktivt middel, eller temperaturen på partikkelinteraksjonene i en MDI. Evnen til å kontrollere temperatur kan brukes til å etterligne visse trinn i produksjonen av kolloidale systemer for å evaluere hvor temperaturen enten i produksjonen av ellerlagring av kolloidale systemer kan ha en innvirkning på partikkel interaksjoner.

Målinger som kan oppnås ved bruk av kolloidalt sonder inkluderer; Topografi skanning, individuelle kraft-avstand kurver, kraft-avstand vedheft maps, og bor kraft-distanse. Viktige parametere som måles ved hjelp av kolloidalt probe nanoscopy Metoden som presenteres i dette dokumentet består av snap-in, maks belastning, og separasjon energi verdier. Snap-in er en måling av de tiltrekningskrefter, maks last verdien av maksimal adhesjon styrken, og separasjonsenergi bringer den energien som kreves for å trekke partikkelen fra kontakt. Disse verdiene kan måles ved momentan-eller holdestyrkemålinger. To forskjellige typer dvele målinger inkluderer nedbøyning og innrykk. Lengden og typen av holde målingen kan være spesielt valgt for å etterligne spesifikke interaksjoner som er til stede innenfor et system av interesse. Et eksempel er å bruke nedbøyning dwell – som inneharprøvene som er i kontakt ved en ønsket avbøyning verdi – for å evaluere de klebende bindingene som utvikler seg i aggregater dannet i dispersjoner. De klebende bindingene som dannes kan måles som en funksjon av tiden, og kan gi innsikt i de krefter som kreves for å redispergere aggregatene etter langvarig lagring. Den mengde data som kan oppnås ved hjelp av denne metoden er et testament til allsidigheten av metoden.

Protocol

En. Klar Kolloidalt Probe og AFM Substrat For å forberede kolloidale prober, bruk en metode utviklet tidligere av forfatterne. 19 I korte trekk, bruker en 45 ° vinkel holder å feste et tipless cantilever på den spesifikke vinkel på 45 ° (figur 1A). Tilbered en epoxy glide ved å smøre et tynt lag av epoksy på et objektglass. Bruk en ren spatel eller en langsom strøm av nitrogen for å sikre at laget av epoxy tilsatt til objektglass er av minimal høyde. …

Representative Results

Flytende kolloidale systemer brukes i flere farmasøytiske legemiddelleveringssystemer. For inhalering medikamentavgivelse, er et vanlig kolloidalt system suspensjonen under trykk oppmålt dose inhalator (PMDI). Partikkel interaksjoner stede innenfor PMDI spiller en viktig rolle i utformingen fysisk stabilitet, lagring og levering av legemidler ensartethet. I dette manuskriptet, ble interpartikkelkrefter mellom porøse lipid-baserte partikler (~ 2 mikrometer optisk midlere partikkeldiameter) i en modell drivmiddel (2H, …

Discussion

Flere kilder til ustabilitet i systemet til stede under flytende kolloidalt probe nanoscopy lett kan reduseres gjennom riktig balansen prosedyrer. Ustabiliteter som diskutert tidligere føre til feilaktige resultater og kraft kurver som er vanskeligere å analysere objektivt. Hvis alle kilder til ustabilitet har blitt tendens og grafer som ligner den som er vist i figur 4 er fortsatt til stede, kan en annen måleparameter være grunnen. Andre måleparametere som er viktige å vurdere i løpet av kolloid…

Materials

Name of Material/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
Double-Bubble Epoxy	Hardman	4004
Veeco Tipless Probes	Veeco	NP-O10
Porous Particles	Pearl Therapeutics	N/A
Atomic Force Microscope (MFP)	Asylum	MFP-3D
SPIP Scanning Probe Image Processor Software	NanoScience  Instruments	N/A
35 mm Coverslips	Asylum	504.003
Tempfix	Ted Pella. Inc.	16030