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Chemistry

Preparazione facile di Internamente auto-assemblato Lipid particelle stabilizzati da nanotubi di carbonio

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

Vi presentiamo un metodo facile per preparare particelle lipidiche nanostrutturati stabilizzati con nanotubi di carbonio (CNT). A parete singola (incontaminato) e multi-pareti (funzionalizzati) CNT sono utilizzati come stabilizzatori per la produzione di emulsioni (O / W) olio-in-acqua di tipo Pickering. I lipidi cioè, Dimodan U e Phytantriol sono usati come emulsionanti, che in acqua in eccesso di auto-assemblano in fase Pn3m cubica bicontinuous. Questa fase altamente viscoso è frammentato in particelle più piccole che utilizzano un ultrasonicatore sonda in presenza di stabilizzanti tensioattivi convenzionali o CNT come fatto qui. Inizialmente, i nanotubi di carbonio (polvere) vengono dispersi in acqua seguita da un'ulteriore ultrasuoni con il lipide fuso per formare l'emulsione finale. Durante questo processo, i nanotubi di carbonio vengono rivestiti con molecole lipidiche, che a loro volta si presume circondare le goccioline lipidiche a formare un'emulsione particellare che è stabile per mesi. La dimensione media delle particelle lipidiche nanostrutturati CNT-stabilizzati è in submicron range, che regge bene il confronto con le particelle stabilizzata con tensioattivi convenzionali. Piccola dati angolo di raggi X dispersione conferma il mantenimento della fase cubica originale Pn3m nelle dispersioni lipidi CNT-stabilizzati rispetto alla fase lipidica puro (stato bulk). spostamento Blu e abbassamento delle intensità di G caratteristico e bande di CNT osservati in spettroscopia Raman G 'caratterizzano l'interazione tra CNT superficie e lipidi molecole. Questi risultati suggeriscono che le interazioni tra i CNT e lipidi sono responsabili per la loro stabilizzazione reciproca in soluzioni acquose. Poiché le concentrazioni di CNT impiegate per la stabilizzazione sono molto bassi e molecole lipidiche sono in grado di funzionalizzare i nanotubi di carbonio, la tossicità dei CNT dovrebbe essere insignificante mentre la loro biocompatibilità è notevolmente migliorata. Pertanto la presente approccio trova un grande potenziale in varie applicazioni biomediche, per esempio, per sviluppare sistemi nanocarrier ibridi per la consegna di multiple molecole funzionali come in terapia di combinazione o politerapia.

Introduction

Nel corso degli ultimi decenni, la nanotecnologia è emerso come un potente strumento in particolare nel campo dello sviluppo preclinico della medicina per combattere le malattie noti come il cancro 1. In questo contesto, le strutture in nanoscala con dimensioni <1.000 nm sono ampiamente esplorato come veicolo di consegna di varie biomolecole attive come la droga, proteine, acidi nucleici, i geni e gli agenti di diagnostica per immagini 1-4. Queste biomolecole o sono incapsulati all'interno delle nanoparticelle o coniugati sulla superficie delle nanoparticelle e sono rilasciati al sito di azione trigger come pH o 5,6 temperatura. Anche se estremamente piccole dimensioni, l'ampia superficie di queste nanoparticelle si rivela notevolmente vantaggioso per somministrazione mirata di biomolecole attive. Il controllo della dimensione delle particelle e la biocompatibilità è della massima importanza al fine di ottimizzare l'efficacia terapeutica e quindi l'applicabilità delle nanoparticelle 7,8.Lipidi 9-13, polimeri, metalli 14,15 16,17 e 18,19 nanotubi di carbonio sono comunemente impiegati come nanovettori per varie applicazioni biomediche e farmaceutiche.

Inoltre, le applicazioni nanocarrier basate su nanostrutture auto-assemblate lipidi hanno una grande importanza in molte altre discipline, tra cui industrie alimentari e cosmetiche 20,21. Per esempio, sono usati in proteine ​​di cristallizzazione 22, la separazione di biomolecole 23, come stabilizzanti alimentari esempio, in dolci 24, e nella fornitura di molecole attive come nutrienti, aromi e profumi 25-31. Autoassemblati nanostrutture lipidi non solo hanno la capacità di rilasciare molecole bioattive in modo controllato e mirato 32-38 ma sono anche in grado di proteggere le molecole funzionali dalla chimica ed enzimatica degradazione 39,40. Anche se planare doppio strato fluido è la più commsulla nanostruttura formata da molecole lipidiche anfifiliche in presenza di acqua, altre strutture quali esagonale e cubico sono anche comunemente osservati 20,41,42. Il tipo di nanostruttura formata dipende struttura forma molecolare lipidi ', la composizione lipidica in acqua, nonché dalle condizioni fisico-chimiche impiegate come temperatura e pressione 43. L'applicabilità di nanostrutture lipidi non planari soprattutto quella di fasi cubiche, è limitato a causa della loro elevata viscosità e consistenza dominio non omogenea. Questi problemi vengono superati disperdendo le nanostrutture lipidi in grande quantità di acqua per formare emulsioni contenenti micron o particelle micronizzate lipidi olio-in-acqua (O / W). In questo modo, un prodotto adatto a bassa viscosità può essere preparato mantenendo la struttura auto-assemblati lipidico originale all'interno delle particelle disperse. La formazione di queste particelle internamente autoassemblati (abbreviato come ISAsomes 44 </sup> Eg, cubosomes da fasi cubiche e hexosomes da fasi esagonali) richiede generalmente una combinazione di una fase di ingresso ad alta energia e l'aggiunta di stabilizzanti quali tensioattivi o polimeri. Recenti ricerche in questa direzione dimostra l'applicazione di varie particelle solide 45 compresi nanoparticelle di silice 46, argilla 47-49 e nanotubi di carbonio 50 per la stabilizzazione delle emulsioni suddetti, opportunamente definito come Pickering 51 o emulsioni Ramsden-Pickering 52.

Negli ultimi anni, a base di carbonio nanostrutture, come i nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNTs), nanotubi a parete multipla carbonio (MWCNT) e fullereni hanno ricevuto una grande attenzione come nuovi biomateriali 53,54. Le preoccupazioni principali sono la loro tossicità 55-58, insolubilità in acqua 59 e quindi la loro biocompatibilità 56. Un modo efficace per affrontare questi problemi è la funzione di superficielizzazione utilizzando molecole non tossici e biocompatibili come lipidi. In presenza di acqua, lipidi interagiscono con CNT in modo che la superficie idrofobica del CNT è schermata dalla parte acquosa polare che i gruppi di testa idrofili lipidici aiuto loro solubilità o dispersione in acqua 60,61. I lipidi sono componenti integranti organelli cellulari così come alcuni materiali alimentari, quindi la loro decorazione dovrebbe idealmente diminuire la tossicità in vivo di CNT. Applicazioni biomediche basate su nanotubi di carbonio in modo indipendente 18,19 e nanostrutture lipidi 9-13 sono in fase di sviluppo estensivo ma le applicazioni che combinano le proprietà dei due non sono ancora ben esplorati-.

In questo lavoro, ci avvaliamo di due diversi tipi di lipidi e tre tipi di nanotubi di carbonio, di cui SWCNTs sono nella forma originaria, mentre MWCNT vengono funzionalizzati con idrossile e gruppi carbossilici. Abbiamo usato concentrazioni molto basse di CNT per preparare le dispersioni cuistabilità dipende da diversi fattori ad esempio, il tipo di lipidi, tipo di CNT, rapporto di lipidi per CNT utilizzato, nonché sui parametri sonicazione impiegate come potenza e durata. Questo protocollo video fornisce dettagli tecnici di un metodo di stabilizzazione cineticamente nanoparticelle lipidiche utilizzando vari CNT-stabilizzatori.

Protocol

Attenzione: CNT utilizzati in questo lavoro sono sotto forma di nanoparticelle che possono avere rischi aggiuntivi rispetto ai loro omologhi di massa. L'inalazione di grafite, sia naturali che sintetici, può causare pneumoconiosi 62 simile a pneumoconiosi dei lavoratori del carbone. Inoltre, vi sono preoccupazioni relative alla tossicità di nanostrutture a base di carbonio e alcuni dei precedenti studi suggeriscono tossicità acuta e cronica associata con l'inalazione di CNT 63-68. Quindi, evitare l'inala…

Representative Results

I seguenti risultati rappresentano a) la stabilità di dispersioni, b) la distribuzione delle dimensioni delle particelle lipidiche, c) il tipo di auto-assemblaggio e d) la prova per il rivestimento lipidico del CNT. La stabilità delle dispersioni (figura 2) è stato monitorato utilizzando una fotocamera da 5 MP con auto-focus e flash LED. <br /…

Discussion

Stabilizzazione delle particelle lipidiche
Tre differenti CNT vengono utilizzati per stabilizzare le dispersioni lipidi; due dei quali sono multi-murata e funzionalizzati con -OH e gruppi -COOH, e uno è unico murato e non funzionalizzati (incontaminata). Il CNT variato in formato come segue (diametro x lunghezza): MWCNT-COOH: 9.5 nm x 1,5 micron; MWCNT-OH: 8-15 nm x 50 micron; SWCNT: 1-2 nm x 1-3 micron. I nanotubi di carbonio in polvere sono stati dispersi in acqua dalla sonda ultra-sonicazione…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vorremmo ringraziare il Dott Matthew J. Baker, ora presso l'Università di Strathclyde, Glasgow per il supporto con esperimenti Raman e Mr. Nick Gaunt per la sua prima opera di questo progetto.

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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