Facile Utarbeidelse av Internt Selv montert Lipid Partikler Stabilisert av karbonnanorør

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 presenterer en lettvint metode for å forberede nanostrukturerte fettpartikler stabilisert av karbon nanorør (CNTs). Enkelt vegger (perfekt) og med flere vegger (funksjon) CNTs brukes som stabiliseringsmidler for å fremstille Pickering typen olje-i-vann (O / W) emulsjoner. Lipider nemlig Dimodan U og Phytantriol anvendes som emulgatorer, som i overskudd av vann selv montere inn i bikontinuerlig kubiske Pn3m fase. Denne svært viskøs fase fragmenteres til mindre partikler ved hjelp av en sonde ultrasonicator i nærvær av konvensjonelle overflateaktive stabilisatorer eller CNTs som gjøres her. Til å begynne med blir de CNTs (pulverform) dispergert i vann etterfulgt av ytterligere ultralydbehandling med det smeltede lipid for å danne den endelige emulsjonen. Under denne prosessen CNTs bli belagt med lipid-molekyler, som igjen antas å omgi lipid dråpene for å danne en partikkelformet emulsjon som er stabil i flere måneder. Den gjennomsnittlige størrelsen på CNT-stabiliserte nanostrukturerte lipidpartikler er i submikron range, som sammenligner godt med partiklene stabiliseres ved hjelp av konvensjonelle overflateaktive midler. Liten vinkel X-ray spredning av data bekrefter retensjon av den opprinnelige Pn3m kubiske fase i CNT-stabiliserte dispersjoner lipid sammenlignet med den rene lipidfasen (bulk tilstand). Blått skift og senking av intensitetene i karakteristiske G og G 'bånd av CNTs observert i Raman-spektroskopi karakterisere interaksjonen mellom CNT overflate og lipidmolekyler. Disse resultater antyder at interaksjonen mellom de CNTs og lipider er ansvarlige for deres innbyrdes stabilisering i vandige oppløsninger. Ettersom konsentrasjonen av CNTs som anvendes for stabilisering er svært lave og lipidmolekyler er i stand til å funksjonalisere de CNTs, er giftigheten av CNTs forventet å være ubetydelig, mens deres biokompatibilitet sterkt forbedret. Derav det nåværende tilnærming finner et stort potensial i ulike biomedisinske applikasjoner, for eksempel, for å utvikle hybrid nanocarrier systemer for levering av multiple funksjonelle molekyler som i kombinasjonsterapi eller polyterapi.

Introduction

I løpet av de siste tiårene, har nanoteknologi dukket opp som et kraftig verktøy spesielt innen preklinisk utvikling av medisin for å bekjempe beryktede sykdommer som kreft ^en. I denne sammenheng, nanoskala strukturer med størrelse <1000 nm er mye utforsket som levering kjøretøy av ulike aktive biomolekyler så som legemidler, proteiner, nukleinsyrer, gener og diagnostiske avbildningsmidler ^1-4. Disse biomolekyler er enten innkapslet i nanopartikler eller konjugert på overflaten av nanopartiklene og de ​​frigjøres ved virkningsstedet ved triggere som pH eller temperatur ^5,6. Selv om det ekstremt liten i størrelse, viser det store overflatearealet av disse nanopartiklene for å være svært fordelaktig for målrettet levering av aktive biomolekyler. Kontrollen over partikkelstørrelse og biokompatibilitet er av største betydning for å optimalisere den terapeutiske effekt og følgelig anvendelse av nanopartikler ^7,8.Lipider ^9-13, polymerer ^14,15, metaller ^16,17 og karbon nanorør ^18,19 er vanligvis ansatt som nanocarriers for ulike biomedisinske og farmasøytiske applikasjoner.

Videre nanocarrier applikasjoner basert på lipid selv montert nanostrukturer har et bredt betydning i mange andre disipliner, inkludert mat og kosmetisk industri ^20,21. For eksempel, er de brukt i protein krystallisasjon ^22, separasjon av biomolekyler ^23, som mat stabilisatorer for eksempel, i desserter ^24, og i levering av aktive molekyler slik som næringsstoffer, smaksstoffer og parfymer ^25-31. Selv-sammensatte lipid nanostrukturer ikke bare har evnen til å frigi bioaktive molekyler i en kontrollert og målrettet måte ^32-38, men de er også i stand til å beskytte de funksjonelle molekyler fra kjemisk og enzymatisk nedbrytning ^39,40. Selv om planar væske bilaget er den mest commpå nanostrukturen dannet av amfifile lipidmolekyler i nærvær av vann, er andre strukturer som heksagonal og kubisk også ofte observert ^20,41,42. Den type nanostrukturen som dannes avhenger av lipidene 'molekylær form struktur, lipidsammensetningen i vann så vel som på de fysisk-kjemiske betingelser som anvendes for eksempel temperatur og trykk ^43. Anvendeligheten av ikke-plane lipid nanostrukturer, særlig som kubiske faser, er begrenset på grunn av deres høye viskositet og ikke-homogent domene konsistens. Disse problemene overvinnes ved å dispergere lipid nanostrukturer i stor mengde vann for dannelse av emulsjoner som inneholder mikron eller submikron størrelse lipidpartikler olje-i-vann (O / W). På denne måte kan et passende produkt med lav viskositet fremstilles og samtidig beholde den opprinnelige lipid selv-montert struktur på innsiden av dispergerte partikler. Dannelsen av disse interne selv-sammensatte partikler (forkortet som ISAsomes ⁴⁴ </sup> F.eks cubosomes fra kubiske faser og hexosomes fra heksagonale faser) krever vanligvis en kombinasjon av en høy energitilførsel trinn og tilsetning av stabilisatorer så som overflateaktive midler eller polymerer. Nyere forskning i denne retning demonstrerer anvendelsen av ulike faste partikler ⁴⁵ inkludert silikananopartikler ^46, leire ^47-49 og karbon nanorør ⁵⁰ for stabilisering av nevnte emulsjoner, hensiktsmessig betegnes som Pickering ⁵¹ eller Ramsden-Pickering emulsjoner ^52.

I de senere årene, karbonbasert nanostrukturer som enslige vegger karbon nanorør (SWCNTs), har multi-vegger karbon nanorør (MWCNTs) og fullerener fått mye oppmerksomhet som nye biomaterialer ^53,54. De største bekymringene er deres toksisitet ^55-58, vannuoppløselighet ^{59 og} dermed deres biokompatibilitet ^56. En effektiv måte å takle disse problemene er overflaten funksjonalization ved hjelp av ikke-toksiske biokompatible og molekyler slik som lipider. I nærvær av vann, lipider samhandle med CNTs på en måte som hydrofob overflate av CNTs er skjermet fra polart vandig medium, mens de hydrofile lipid hodegrupper hjelp deres oppløselighet eller dispergering i vann ^60,61. Lipider er integrerte bestanddeler av celleorganeller, samt noen mat materialer, derfor deres dekorasjon bør ideelt sett redusere in vivo toksisitet av CNTs. Biomedisinske applikasjoner basert uavhengig på CNTs ^18,19 og lipid nanostrukturer ^9-13 er under omfattende utvikling, men de programmene som kombinerer egenskapene til de to er ennå ikke godt utforsket.

I dette arbeidet, benytter vi to forskjellige typer av lipider og tre typer av CNTs som SWCNTs er i den uberørte formen, mens MWCNTs er funksjonalisert med hydroksyl og karboksylgrupper. Vi har benyttet meget lave konsentrasjoner av CNTs å fremstille dispersjoner som harstabilitet avhenger av flere faktorer, for eksempel typen av lipid, type CNT, forholdet mellom lipid til CNT brukt, så vel som på sonication parametere som anvendes som kraft og varighet. Denne videoen protokollen gir tekniske detaljer om en metode for kinetisk stabilisere lipid nanopartikler ved hjelp av ulike CNT-stabilisatorer.

Protocol

Forsiktig: CNTs som brukes i dette arbeidet er i nanopartikkel form som kan ha ekstra risiko i forhold til sine bulk kolleger. Innånding av grafitt, både naturlig og syntetisk, kan føre til pneumokoniose 62 lik kull arbeiderens pneumoconiosis. Dessuten har det vært spørsmål angående toksisiteten av karbonbaserte nanostrukturer og noen av de tidligere studiene foreslår akutt og kronisk toksisitet forbundet med inhalering av CNTs 63-68. Derfor unngå innånding av fint CNT pulver og håndtere det med stor forsikt…

Representative Results

De følgende resultater representerer a) stabilitet av dispersjoner, b) størrelsesfordelingen av lipidpartikler, c) den type av selv-sammenstillingen, og d) det bevis for lipid belegging av CNTs. Stabiliteten av dispersjoner (figur 2) ble overvåket ved hjelp av et 5 MP kamera med autofokus og LED-blits. Figur 2. Skjematisk av CNT …

Discussion

Stabilisering av fettpartikler
Tre forskjellige CNTs blir brukt til å stabilisere dispersjonene lipid; hvorav to er multi-vegger og funksjon hjelp -OH og -COOH grupper, og man er singel vegger og ikke-funksjon (perfekt). Den CNTs variert i størrelse slik (diameter x lengde): MWCNT-COOH: 9,5 nm x 1,5 mikrometer; MWCNT-OH: 8-15 nm x 50 mikrometer; SWCNT: 1-2 nm x 1-3 mikrometer. Pulverisert CNTs ble dispergert i vann ved sonde ultra-sonikering. Nevnte størrelser av CNTs er sannsynlig å redusere…

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).