Her presenterer vi en protokoll for å syntetisere bioinspired silica materialer og nakkens enzymer deri. Silica er syntetisert ved å kombinere natriumsilikat og et Amin ‘additiv’, som nøytraliserer i en kontrollert hastighet. Materialegenskaper og funksjon kan endres i situ enzym immobilisering eller etter syntetiske syre elueringsrør av innkapslede tilsetningsstoffer.
Målet av protokoller beskrevet her er syntetisere bioinspired silica materialer, utføre enzym innkapsling der og delvis eller helt rense det samme av syre elueringsrør. Ved å kombinere natriumsilikat med en polyfunctional bioinspired additiv, dannes raskt silica på forholdene på nøytralisering.
Effekten av nøytralisering rate og biomolecule tillegg punkt på silica avkastning er undersøkt, og biomolecule immobilisering effektivitet er rapportert for ulike tillegg punkt. I motsetning til andre porøse silica syntese metoder vises at dens mild vilkår bioinspired silica syntese er kompatible med innkapsling av delikate biomolecules. I tillegg brukes mild forhold over alle syntese og modifikasjon trinn, gjør bioinspired silica lovende mål for oppskalering og kommersialisering som både nakne materiale og aktiv støtte medium.
Syntese er vist å være svært følsomme for forhold, dvs. nøytralisering hastigheten og endelige syntese pH, men stram kontroll over disse parameterne er demonstrert ved hjelp av automatisk titrering metoder, fører til høye reproduserbarhet i reaksjon progresjon veien og avkastning.
Derfor er bioinspired silika et utmerket aktive materiell støtte valg, viser allsidighet mot mange gjeldende programmer, ikke begrenset til de vist her, og styrke i fremtidige anvendelser.
Bruk av silisium som en strukturell støtte for industriell katalysatorer er godt etablert, tillater for bedre katalysator aktivitet, stabilitet og processability,1 derfor potensielt redusere driftskostnadene. Disse fordelene er forverret ved enzym immobilisering, som lagringsplassen i en silica pore system kan gi betydelige fordeler på enzymet levetiden over motparten gratis. Følgelig er store anstrengelser brukt i å finne den beste metoden å sy enzymer silica arter, flere anmeldelser sammenligne undersøkelser ved hjelp av ulike metoder for immobilisering på siliceous solid støtter. 2 , 3 , 4
Enzymer knyttes vanligvis via physisorption eller kovalente binding, i tillegg til innkapsling innenfor et porøst materiale. 5 men det er betydelige ulemper knyttet til hver metode: physisorption er avhengig av forbigående overflaten samspillet mellom silisium og biomolecule, som kan veldig lett bli svekket av reaksjonen forhold fører til det uakseptable enzym utvasking. Mye sterkere kovalente vedlegget resulterer i lavere aktivitet på grunn av redusert conformational frihet aktiv arter. Innkapsling kan resultere i redusert aktivitet på grunn av enzymet forhindringer eller diffusional begrensninger. 6
Siste utviklingen i feltet av mildere (ofte kalt “bioinspired”) silica synteser etablert i situ innkapsling av biomolecules og andre aktiv arter under materielle syntese. 7 , 8 , 9 denne metoden negerer mange av ulempene ved konvensjonelle immobilisering – i motsetning til chemisorption tilnærminger conformational frihet til biomolecule opprettholdes ved bruk av svakere noncovalent vekselsvirkningene men som skjemaene pore hulrom rundt biomolecule, utvasking er fortsatt forhindret. Faktisk innkapsling har vist seg for å arbeide for en rekke biomolecules og hele celler,10 og forhold kan unngås gjennom innkapsling bioinspired silica effekter som deaktivering på grunn av harde prosessen. 7 , 11
Målet med metoden beskrevet her er å forberede en porøs silica med kontrollerbar egenskaper under forholdene, ved hjelp av en bioinspired organisk additiv. Metoden kan enkelt endres for å inkludere innkapsling av uorganiske eller bioorganic molekyler, et utvalg som skal vises. Videre viser vi en lettvint metode for endring som-syntetisert materialer for å oppnå ønsket bulk egenskaper og rensing ved å fjerne malen organisk gjennom acid elueringsrør.
Sammenlignet med tradisjonell syntese av mal porøse silica støtter (f.ekssilica materiale mal gjennom supramolecular surfactant samlinger som MCM-41 eller SBA-15)12 denne metoden er betydelig raskere og mildere, slik at skreddersydd, i situ innkapsling uten behov for mange immobilisering trinnene og arbeidskrevende rensing. Videre åpnes bruk av syre elueringsrør i stedet for calcination muligheten for organisk overflaten functionalization.
Denne metoden er svært aktuelt for de arbeider i aktiv arter immobilisering som har funnet physisorption eller kovalente immobilization å være ineffektiv. Det er også nyttig for de forsker prosess skalere opp som bioinspired syntese er unikt posisjonert for industrialisering sammenlignet med konvensjonelle mal silica materialer. 13 , 14 denne metoden ikke anbefales for programmer som krever en bestilte rekke porene i den materielle f.eksfor fotonikk, som materiale strukturen er uordnede til tross for enhver likhet i bulk egenskaper.
I arbeidet presenterer vi en metode for raskt fremskynde bioinspired silica materialer og innkapsling av biomolecules der. Vi viser kritiske trinn i prosedyren, nemlig hvor reaksjon-starte syre legges, og tidspunktet for tillegg av biomolecule encapsulant. Vi viser effekten av tillegg beløpet både reaksjon progresjon og avkastning (Figur 4 og figur 5, henholdsvis), og viste en metode for stram kontroll over syntese forhold, slik at for konsistens til tross for denne følsomheten. Om aktiv arter innkapsling, men enkel i prosedyren, innkapsling er vist å være følsom vilkårene for eksperimentet (for tillegg pH i tillegg miljøforhold), men konsekvent materiale egenskaper er igjen oppnåelig.
Syntese vilkårene kan endres ved hjelp av ulike tilsetningsstoffer, hvorav mange har blitt publisert andre steder,15 gir en rekke morphologies og porosities. Videre, etter syntetiske teknikker å endre og kjemisk skreddersy bioinspired silica materialer har blitt rapportert som mild rensing13 og overflaten Amin dekorasjon. 20 til slutt på grunn av mild, vandig natur syntese, i situ innkapsling er mulig for et bredere spekter av underlag enn de vist her, alt fra enzymer17,18 til hele celler,21 Metal salter,22 aktive farmasøytiske ingredienser,23 og kvante prikker. 24
I motsetning til andre organisk-mediert silica synteser (for eksempel MCM-41 eller SBA-15 familien av materialer) bestilt polyfunctional natur bioinspired tilsetningsstoffer ikke kan produsere pore strukturer, eller svært monodisperse partikkelstørrelse distribusjoner karakteristisk for Stöber-type silica. 25 dette er på grunn av mangel av veldefinerte micellization bioinspired tilsetningsstoffer (utenfor spesialtilfeller)26 kombinert med deres økt katalytisk aktivitet over monofunctional Amin inneholder tilsetningsstoffer. 26
På den annen side, muliggjør denne polyfunctional additiv Art bruk av kortere reaksjonstid og mildere temperatur og trykk enn andre organisk-mediert silica synteser. Dette fører også til at romtemperatur additiv elueringsrør som beskrevet ovenfor, som har ennå å bli oppnådd for disse andre silica familier på grunn av spesifikk av deres overflatekjemi. 27 , 28 , 29 derfor bioinspired silica materialer har vist seg å være både mer økonomisk og praktisk å produsere på en større skala, fører til enklere kommersialisering og utvikling. 14
I sammendraget representerer bioinspired silica syntese en rask, lettvint metode for å produsere aktiv arter støtter eller gass absorberende media. Gjennom streng kontroll av pH under og etter reaksjon, kan en rekke silika-Amin kompositter syntetiseres med ulike egenskaper, som er ytterligere supplert med muligheten for i situ innkapsling av en rekke forskjellige organisk, uorganiske eller bio-organisk materiale. Selv om uavhengige etter syntetiske modifikasjon av bioinspired additiv og encapsulant konsentrasjon ennå oppnås, representerer disse metodene et lovende skritt mot miljømessig godartet kjemiske prosesser.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne takker økonomisk støtte fra avdeling av kjemiske og biologiske Engineering (University of Sheffield) og EPSRC (EP/L017059/1 og EP/P006892/1).
Silica synthesis | |||
Sodium silicate pentahydrate | Fisher scientific | 10070470 | |
Pentaethylene hexamine (PEHA) | Sigma-Aldrich | 292753 | |
Diethylenetriamine (DETA) | Sigma-Aldrich | D93856 | Toxic |
Triethylenetetraamine (TETA) | Sigma-Aldrich | 90460 | |
Poly(ethyleneimine) (PEI) | Polysciences | 6088 | 1.2K MW |
Poly(allylamine hydrochloride) (PAH) | Sigma-Aldrich | 283215 | 17.5k MW |
Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | A2153 | |
Hydrochloric acid (HCl) 1M | Fisher Scientific | 10487830 | |
Silicomolybdic acid assay | |||
Ammonium molybdate tetrahydrate | Sigma-Aldrich | A7302 | Product replaced by M1019 |
Hydrochloric acid (HCl) 37.0%wt | Fluka Analytical | 84436 | |
Anhydrous oxalic acid | Sigma-Aldrich | 75688 | |
Para-aminophenol sulphate | Fisher Scientific | 10446880 | |
Sodium sulphite | Fisher Scientific | 10234400 | |
Sulphuric acid | Sigma-Aldrich | 84727 | |
Bradford assay | |||
Bradford reagent | Sigma-Aldrich | B6916 | |
Equipment | |||
Autotitrator Titrando 902 | Metrohm | 2.902.0010 | |
801 magnetic stirrer plate | Metrohm | 2.801.0040 | For use with above |
800 Dosino | Metrohm | 2.800.0010 | For use with above |
Aquatrode Plus | Metrohm | 6.0253.100 | For use with above |
Centrifuge Sorvall ST16 | Thermo Scientific | 11814243 | Code is for Fisher scientific |
UV-Vis spectrophotometer Genesys 10A | Thermo scientific | 12104972 | Code is for Fisher scientific |