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.
Vi presenterar en enkel metod för att framställa nanostrukturerade lipidpartiklar stabiliserade av kolnanorör (cnts). Enkelväggiga (pristine) och multi-walled (funktionaliserade) cnts används som stabilisatorer för framställning av Pickering typ olja-i-vatten (O / W) emulsioner. Lipider nämligen Dimodan U och Fytantriol används som emulgeringsmedel, som i överskott av vatten själv montera in den dubbelkontinuerliga kubiska Pn3m fas. Denna mycket viskösa fasen är fragmenterad till mindre partiklar med hjälp av en sond ultraljud i närvaro av konventionella stabilisatorer eller cnts som görs här ytaktiva. Initialt är cnts (pulverform) dispergeras i vatten följt av ytterligare ultrasonication med den smälta lipiden för att bilda den slutliga emulsionen. Under denna process cnts blir belagd med lipidmolekyler, vilka i sin tur förmodas att omge lipiddroppar för att bilda en partikelformig emulsion som är stabil i månader. Den genomsnittliga storleken på CNT-stabiliserade nanostrukturerade lipidpartiklar är i submikron range, vilket kan jämföras bra med partiklarna stabiliseras med hjälp av konventionella tensider. Liten vinkel röntgenstrålespridning data bekräftar bibehållandet av den ursprungliga Pn3m kubiska fasen i CNT-stabiliserade lipiddispersioner i jämförelse med den rena lipidfasen (bulktillståndet). Blåförskjutning och sänkning av intensitet i karaktäristisk G och G 'band av cnts observerats i Raman-spektroskopi karaktärisera interaktionen mellan CNT yt- och lipidmolekyler. Dessa resultat tyder på att interaktionerna mellan de cnts och lipider är ansvariga för deras ömsesidiga stabilisering i vattenhaltiga lösningar. Som koncentrationerna av cnts som användes för stabilisering är mycket låga och lipidmolekyler har möjlighet att funktionalisera de cnts, är toxiciteten hos cnts förväntas bli obetydlig medan deras biokompatibilitet har ökat avsevärt. Därav den nuvarande modellen finner en stor potential i olika biomedicinska tillämpningar, till exempel för att utveckla hybrid nanocarrier system för leverans av multiple funktionella molekyler som i kombinationsterapi eller polyterapi.
Under de senaste decennierna har nanotekniken framträtt som ett kraftfullt verktyg speciellt inom området för preklinisk utveckling av läkemedel för att bekämpa ökända sjukdomar såsom cancer 1. I detta sammanhang, nanostrukturer med storlek <1000 nm omfattande utforskas som leveransfordon av olika aktiva biomolekyler såsom läkemedel, proteiner, nukleinsyror, gener och diagnostiska avbildningsmedel 1-4. Dessa biomolekyler är antingen inkapslade i nanopartiklar eller konjugerade på ytan av nanopartiklar och släpps vid verkningsstället genom triggers såsom pH eller temperatur 5,6. Även om extremt små i storlek, den stora ytarean av dessa nanopartiklar visar sig vara i hög grad fördelaktigt för målinriktad tillförsel av aktiva biomolekyler. Den kontroll över partikelstorlek och biokompatibilitet är av yttersta vikt för att optimera den terapeutiska effekten och därmed tillämpligheten av nanopartiklar 7,8.Lipider 9-13, polymerer 14,15, metaller 16,17 och kolnanorör 18,19 har vanligen som nanocarriers för olika biomedicinska och farmaceutiska tillämpningar.
Dessutom nanocarrier applikationer baserade på lipid själv monterade nanostrukturer har ett stort betydelse i många andra discipliner, inklusive mat och kosmetikindustrin 20,21. Till exempel, används de i proteinkristallisering 22, separation av biomolekyler 23, som livsmedelsstabiliseringsmedel t.ex., i desserter 24, och i leveransen av aktiva molekyler såsom näringsämnen, smakämnen och parfymer 25-31. Själv monterade lipid nanostrukturer inte bara har förmågan att frisätta bioaktiva molekyler på ett kontrollerat och målinriktat sätt 32-38 men de är också i stånd att skydda de funktionella molekyler från kemisk och enzymatisk nedbrytning 39,40. Även plana vätska biskikt är den mest commpå nanostruktur som bildas av amfifila lipidmolekyler i närvaro av vatten, är andra strukturer, såsom hexagonal och kubisk också vanligt förekommande 20,41,42. Den typ av nanostruktur som bildas beror på de lipider 'molekylform struktur, lipidkompositionen i vatten såväl som på de fysikalisk-kemiska betingelser som används, såsom temperatur och tryck 43. Tillämpligheten av icke plana lipid nanostrukturer särskilt av kubiska faser, är begränsad på grund av deras höga viskositet och icke-homogen domän konsistens. Dessa problem övervinns genom att dispergera de lipida nanostrukturer i stor mängd vatten för att bilda olja-i-vatten (O / W) emulsioner innehållande mikron eller submikrona dimensionerad lipidpartiklar. På detta sätt kan en lämplig produkt med låg viskositet framställas samtidigt behålla den ursprungliga lipid själv sammansatta struktur inuti de dispergerade partiklarna. Bildningen av dessa internt egen sammansatta partiklar (förkortat som ISAsomes 44 </sup> T.ex. cubosomes från kubiska faser och hexosomes från hexagonala faser) kräver vanligen en kombination av en hög energiinmatningssteg och tillsatsen av stabiliseringsmedel, såsom ytaktiva medel eller polymerer. Ny forskning i denna riktning visar tillämpningen av olika fasta partiklar 45 inkluderande kiselnanopartiklar 46, lera 47-49 och kolnanorör 50 för stabilisering av nämnda emulsioner, lämpligen betecknas som Pickering 51 eller Ramsden-Pickering emulsioner 52.
Under de senaste åren, kolbaserade nanostrukturer såsom enskilda väggar kolnanorör (SWCNT), har flera vägg kolnanorör (MWCNTs) och fullerener fått en hel del uppmärksamhet som nya biomaterial 53,54. De viktigaste frågorna är deras toxicitet 55-58, vattenolöslighet 59 och därmed deras biokompatibilitet 56. Ett effektivt sätt att ta itu med dessa frågor är ytan funktionalization med användning av icke-toxiska och biokompatibla molekyler såsom lipider. I närvaro av vatten, lipider samverkar med cnts på ett sätt som hydrofob yta cnts är avskärmad från polära vattenmedium medan lipid hydrofila huvudgrupperna hjälpa deras löslighet eller dispersion i vatten 60,61. Lipider är integrerade beståndsdelar av cellulära organeller samt vissa livsmedelsmaterial, därför deras dekoration bör helst minska toxiciteten av cnts in vivo. Biomedicinska tillämpningar oberoende baserade på cnts 18,19 och lipid nanostrukturer 9-13 är under omfattande utveckling men de program som kombinerar egenskaperna hos de två är ännu inte väl utforskade.
I detta arbete, använder vi två olika typer av lipider och tre typer av cnts varav SWCNT är på det orörda form medan MWCNTs är funktionaliserade med hydroxyl- och karboxylgrupper. Vi har använt mycket låga koncentrationer av cnts att framställa dispersionerna varsstabilitet beror på flera faktorer, t.ex., typen av lipid, typ av CNT, förhållandet mellan lipid och CNT används, såväl som på de sonication parametrar som används såsom effekt och varaktighet. Denna video protokoll ger tekniska detaljerna i en metod för att kinetiskt stabilisera lipid nanopartiklar med olika CNT-stabilisatorer.
Stabilisering av lipidpartiklar
Tre olika cnts används för att stabilisera de lipiddispersioner; av vilka två är flerväggig och funktionaliseras med användning av -OH och -COOH grupper, och en är enkel väggar och icke-funktionaliserade (orörd). Den cnts varierade i storlek på följande sätt (diameter x längd): MWCNT-COOH: 9,5 nm x 1,5 m; MWCNT-OH: 8-15 nm x 50 | j, m; SWCNT: 1-2 nm x 1-3 | im. De pulverformiga cnts dispergerades i vatten genom sond ultra-sonikering. Ovannämnda storle…
The authors have nothing to disclose.
Vi vill tacka Dr Matthew J. Baker, nu vid University of Strathclyde, Glasgow för stöd med Raman experiment och Mr Nick Gaunt för hans tidigare arbete för detta projekt.
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). |