एम्फीफिलिक गोल्ड नैनोकणों का संश्लेषण और विशेषता
Summary
एम्फीफिलिक सोने नैनोकणों कई जैविक अनुप्रयोगों में इस्तेमाल किया जा सकता है। लिगंड्स के बाइनरी मिश्रण द्वारा लेपित सोने के नैनोकणों को संश्लेषित करने के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया गया है और इन कणों की विस्तृत विशेषता प्रस्तुत की जाती है।
Abstract
1-ऑक्टेनथियोल (ओटी) और 11-मर्केप्टो-1-अनडेकेन सल्फोनिक एसिड (MUS) के मिश्रण के साथ कवर किए गए सोने के नैनोकणों का कोशिका झिल्ली, लिपिड बाइलेयर्स और वायरस के साथ उनकी बातचीत के कारण बड़े पैमाने पर अध्ययन किया गया है। हाइड्रोफिलिक लिगंड इन कणों को जलीय समाधानों में कोलाइडली रूप से स्थिर बनाते हैं और हाइड्रोफोबिक लिगन्ड्स के साथ संयोजन एक उभयरागी कण बनाता है जिसे हाइड्रोफोबिक दवाओं के साथ लोड किया जा सकता है, लिपिड झिल्ली के साथ फ्यूज, और गैर-विशिष्ट का विरोध करता है प्रोटीन अधिशोषण. इनमें से कई गुण नैनोकण आकार और लिगन्ड शेल की संरचना पर निर्भर करते हैं। इसलिए, यह एक reproduible सिंथेटिक विधि और विश्वसनीय लक्षणीकरण तकनीक है कि नैनोकण गुणों और लिगन्ड खोल संरचना के निर्धारण की अनुमति के लिए महत्वपूर्ण है। यहाँ, एक एक चरण रासायनिक कमी, 5 एनएम से नीचे व्यास के साथ इन नैनोकणों संश्लेषित करने के लिए एक पूरी तरह से शुद्धि के बाद, प्रस्तुत किया है। नैनोकण की सतह पर दो ligands के बीच अनुपात संश्लेषण के दौरान इस्तेमाल किया उनके stoichiometric अनुपात के माध्यम से देखते जा सकते हैं। हम प्रदर्शित करते हैं कि कैसे विभिन्न नियमित तकनीकों, जैसे संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (टीईएम), परमाणु चुंबकीय अनुनाद (एनएमआर), थर्मोग्रेविमीट्रिक विश्लेषण (टीजीए), और पराबैंगनी-दृश्य (यूवी-विस) स्पेक्ट्रोमेट्री, को व्यापक रूप से संयोजित किया जाता है नैनोकणों के भौतिक पैरामीटर की विशेषता है।
Introduction
सोने के नैनोकणों के लिगन्ड खोल को कई अलग – अलग गुणों को प्रदर्शित करने के लिए तैयार किया जा सकता है जिन्हें बायोमेडिसिन1,2,3,4में चुनौतियों का सामना करने के लिए लागू किया जा सकता है . ऐसी बहुमुखी प्रतिभा नैनोकणों और जैव अणुओं के बीच अंतराअणुक अन्योन्यक्रियाओं के नियंत्रण की अनुमति देती है5,6,7. जलविरागता और आवेश एक निर्णायक भूमिका निभाते हैं, साथ ही अन्य सतह पैरामीटर जो यह प्रभावित करते हैं कि नैनोकण जैव अणुओंकेसाथ किस प्रकार सहभागिता करते हैं5 ,8,9. नैनोकणों की सतह के गुणों को धुन करने के लिए, लिगंड शेल बनाने वाले थायोलेट अणुओं का चुनाव असंख्य संभावनाएं प्रदान करता है, जो कि मांगी गई विशेषताओं के अनुसार है। उदाहरण के लिए, हाइड्रोफोबिक और हाइड्रोफिलिक (उदाहरण केलिए,आवेशित) अंत समूहों के साथ लिगन्ड अणुओं का मिश्रण प्रायः उभयरागी नैनोकणों10,11उत्पन्न करने के लिए उपयोग किया जाता है।
इस प्रकार के नैनोकणों का एक प्रमुख उदाहरण ओटी और MUS (इसके बाद MUS:OT नैनोकणों कहा जाता है) के मिश्रण द्वारा संरक्षित है जो कई प्रासंगिक गुणों को धारण करने के लिए दिखाया गया है12,13,14. सबसे पहले, 66% MUS (इसके बाद 66:34 MUS:OT) की एक ligand खोल संरचना के साथ, नैनोकणों की कोलाइडयन स्थिरता उच्च है, deionized पानी में वजन में 33% तक पहुँचने, साथ ही फॉस्फेट-बफर नमकीन (1x, 4 एम एम फॉस्फेट, 150 एमएम NaCl)15. इसके अलावा, इन कणों अपेक्षाकृत कम पीएच मूल्यों पर वेग नहीं है: उदाहरण के लिए, पीएच 2.3 पर और नमक सांद्रता के साथ 1 एम NaCl15, इन नैनोकणों महीनों के लिए कोलाइडयन स्थिर रहते हैं। लिगन्ड कोश पर दो अणुओं के बीच स्टोइकियोमेट्री अनुपात महत्वपूर्ण है क्योंकि यह उच्च आयनिक शक्ति16के साथ समाधानों में कोलाइडयन स्थिरता को निर्धारित करता है .
इन कणों को ऊर्जा-स्वतंत्र पथ1,12के माध्यम से कोशिका झिल्ली को पार करने के लिए दिखाया गया है। इन कणों और लिपिड बाइलेयरों के बीच सहज संलयन कोशिका झिल्ली17के माध्यम से उनकी विसरणशीलता को रेखांकित करता है . इस अन्योन्यक्रिया के पीछे तंत्र लिपिड द्विपरतों के साथ संलयन पर हाइड्रोफोबिकविलायक-पहुँच योग्य सतह क्षेत्र और जल अणुओं के बीच संपर्क को कम करना है। सभी MUS नैनोकणों की तुलना में (nanoparticles उनके खोल पर केवल MUS ligand होने), मिश्रित MUS पर उच्च हाइड्रोफोबिकता: ओटी नैनोकणों (उदाहरण के लिए, एक 66:34 MUS:OT संरचना में) मूल व्यास है कि लिपिड के साथ फ्यूज कर सकते हैं की अवधि बढ़ जाती है bilayers18| लिगन्ड खोल के विभिन्न स्वयं-विधानसभा संगठनों को 66:34 MUS:OT नैनोकणों के विभिन्न प्रोटीन के साथ अलग-अलग बंधन मोड सेसंबंधित किया जाता है, जैसे एल्बुमिन और सबबिक्विटिन, जब सभी-MUS कणों की तुलना 19. हाल ही में, यह सूचित किया गया है कि 66:34 MUS:OT नैनोकणों एक व्यापक स्पेक्ट्रम एंटीवायरल एजेंट है कि unreversibly MUS ligands के बहुसंयोजक इलेक्ट्रोस्टैटिक बाइंडिंग और ओटी ligands के nonlocal couplings के कारण वायरस को नष्ट कर के रूप में उपयोग किया जा सकता है capsid प्रोटीन14| इन सभी मामलों में, यह पाया गया है कि हाइड्रोफोबिक सामग्री, साथ ही नैनोकणों के मुख्य आकार, निर्धारित करता है कि कैसे इन जैव-नानो बातचीत जगह ले। MUS के इन विविध गुणों: OT नैनोकणों कई कंप्यूटर सिमुलेशन अध्ययन है कि MUS के बीच बातचीत underpinning तंत्र को स्पष्ट करने के उद्देश्य से प्रेरित किया है: OT कणों और इस तरह के लिपिड bilayers20के रूप में विभिन्न जैविक संरचनाओं .
MUS की तैयारी: ओटी संरक्षित Au नैनोकणों कुछ चुनौतियों बन गया है। सबसे पहले आवेशित लिगेन्ड (मूस) तथा हाइड्रोफोबिक लिगन्ड (ओटी) अमिश्रणीय होते हैं। इस प्रकार, नैनोकणों और ligands के विलेयता संश्लेषण भर में ध्यान में रखा जाना चाहिए, साथ ही विशेषता के दौरान. इसके अतिरिक्त, MUS ligand अणुओं की शुद्धता-विशेष रूप से, प्रारंभिक सामग्री में अकार्बनिक लवण की सामग्री-गुणवत्ता, reproducibility, साथ ही नैनोकणों की लघु और लंबी अवधि के कोलाइडयन स्थिरता को प्रभावित करती है।
यहाँ, एक विस्तृत संश्लेषण और उभयरागी सोने नैनोकणों के इस वर्ग की विशेषता MUS और ओटी के मिश्रण द्वारा संरक्षित रेखांकित कर रहे हैं। नकारात्मक आरोप लगाया MUS ligand के संश्लेषण के लिए एक प्रोटोकॉल शुद्धता सुनिश्चित करने के लिए सूचना दी है और, इसलिए, विभिन्न नैनोकण syntheses की पुन: उत्पादनीयता. फिर, इन नैनोकणों को उत्पन्न करने की प्रक्रिया, एक आम एक चरण संश्लेषण के आधार पर, पूरी तरह से शुद्धि के बाद, विस्तार से रिपोर्ट की जाती है। विभिन्न आवश्यक लक्षण तकनीक21, जैसे TEM, यूवी-Vis, TGA, और NMR, किसी भी आगे जैविक प्रयोगों के लिए सभी आवश्यक मानकों को प्राप्त करने के लिए संयुक्त किया गया है.
Protocol
Representative Results
Discussion
इस प्रोटोकॉल पहले MUS ligand के संश्लेषण का वर्णन करता है और, फिर, संश्लेषण और उभयरागी MUS:OT सोने नैनोकणों की विशेषता। कम से कम नमक सामग्री के साथ MUS Synthesizing नैनोकण संश्लेषण के दौरान ligands के बीच stoichiometric अनुपात का एक बेहतर…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
[.P.G. और F.S. स्विस राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन और, विशेष रूप से, NCCR ‘आण्विक सिस्टम इंजीनियरिंग’ धन्यवाद. $.L. और F.S. स्विस राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन प्रभाग द्वितीय अनुदान के समर्थन का शुक्र है. सभी लेखकों उपयोगी विचार विमर्श के लिए और पांडुलिपि proofreading के लिए Quy Ong धन्यवाद.
Materials
| 11-bromo-1-undecene | Sigma Aldrich | 467642-25 ml | |
| Sodium Sulfite | Sigma Aldrich | S0505-250 g | |
| Benzyltriethyl-ammonium bromide | Sigma Aldrich | 147125-25 g | |
| Methanol | VWR | BDH1135-2.5 LP | |
| DI water | Millipore | ZRXQ003WW | Deionized water |
| 1 L round bottom flask | DURAN | 24 170 56 | |
| Diethyl ether | Sigma Aldrich | 1.00930 EMD Millipore | |
| Stirring bar | Sigma Aldrich | Z329207, | |
| Dow Corning High Vacuum Grease | Sigma Aldrich | Z273554 ALDRICH | |
| Filtering flask | DURAN | 20 201 63 | |
| Filtering Buchner Funnel | FisherSci | 11707335 | |
| Ethanol >99.8%, ACS, Reagent | VWR | 2081.321DP | |
| Deuterium dioxide | Sigma Aldrich | 151882 ALDRICH | |
| Thioacetic acid 96% | Sigma Aldrich | T30805 ALDRICH | |
| Carbon black | Sigma Aldrich | 05105-1KG | |
| Celite | Sigma Aldrich | D3877 SIGMA-ALDRICH | Filtration medium |
| Condenser | Sigma Aldrich | Z531154 | |
| Hydrochloric acid, ACS reagent 37% | Sigma Aldrich | 320331 SIGMA-ALDRICH | |
| Sodium Hydroxide, BioXtra, pellets (anhydrous) | Sigma Aldrich | S8045 SIGMA-ALDRICH | |
| Centrifuge tubes | VWR | 525-0155P | |
| 250 mL round bottom flask | DURAN | 24 170 37 | |
| 500 mL round bottom flask | DURAN | 24 170 46 | |
| Nitric acid, fACS reagent 70% | Sigma Aldrich | 438073 SIGMA-ALDRICH | |
| Gold(III) chloride trihydrate >99.9% trace metal basis | Sigma Aldrich | 520918 ALDRICH | |
| 1-octanethiol >98.5% | Sigma Aldrich | 471836 ALDRICH | |
| Sodium Borohydride purum p.a.>96% | Sigma Aldrich | 71320 ALDRICH | |
| Separatory funnel | SIgma Aldrich | Z330655 SIGMA | |
| Funnel | DURAN | 21 351 46 | |
| 2V folded filtering papers | Whatman | 1202-150 | |
| Amicon filters | Merck | UFC903024 | |
| Iodine, ACS reagent, >99.8%, solid | Sigma Aldrich | 207772 SIGMA-ALDRICH | |
| 5 mm NMR-Tubes, Type 5HP (high precision) | Armar | 32210.503 | Length 178 mm |
| Methanol-d4 99.8 atom%D | Armar | 16400.2035 | |
| TGA crucible | Thepro | 9095-9270.45 | |
| 400 mesh carbon supported copper grid | Electron Microscopy Science | CF400-Cu | |
| quartz cuvette | Hellma Analytics | 100-1-40 |
References
- Verma, A., et al. Effect of surface properties on nanoparticle-cell interactions. Small. 6 (1), 12-21 (2010).
- Yeh, Y. -. C., et al. Gold nanoparticles: preparation, properties, and applications in bionanotechnology. Nanoscale. 4 (6), 1871-1880 (2012).
- Mirza, A. Z. A novel drug delivery system of gold nanorods with doxorubicin and study of drug release by single molecule spectroscopy. Journal of Drug Targeting. 23 (1), 52-58 (2015).
- Mirza, A. Z., et al. Fabrication and characterization of doxorubicin functionalized PSS coated gold nanorod. Arabian Journal of Chemistry. , (2014).
- Nel, A. E., et al. Understanding biophysicochemical interactions at the nano-bio interface. Nature Materials. 8 (7), 543-557 (2009).
- Yeo, E. L. L., et al. Protein Corona around Gold Nanorods as a Drug Carrier for Multimodal Cancer Therapy. ACS Biomaterials Science and Engineering. 3 (6), 1039-1050 (2017).
- Lin, J., et al. Cell membranes open "doors" for cationic nanoparticles/ biomolecules: Insights into uptake kinetics. ACS Nano. 7 (12), 10799-10808 (2013).
- Saha, K., et al. Regulation of Macrophage Recognition through the Interplay of Nanoparticle Surface Functionality and Protein Corona. ACS Nano. 10 (4), 4421-4430 (2016).
- Moyano, D. F., et al. Fabrication of corona-free nanoparticles with tunable hydrophobicity. ACS Nano. 8 (7), 6748-6755 (2014).
- Pengo, P., et al. Gold nanoparticles with patterned surface monolayers for nanomedicine: current perspectives. European Biophysics Journal. 46 (8), 749-771 (2017).
- Kuna, J. J., et al. The effect of nanometre-scale structure on interfacial energy. Nature Materials. 8 (10), 837-842 (2009).
- Verma, A., et al. Surface-structure-regulated cell-membrane penetration by monolayer-protected nanoparticles. Nature Materials. 7 (7), 588-595 (2008).
- Van Lehn, R. C., et al. Lipid tail protrusions mediate the insertion of nanoparticles into model cell membranes. Nature Communications. 5, 4482-4493 (2014).
- Cagno, V., et al. Broad-spectrum non-toxic antiviral nanoparticles with a virucidal inhibition mechanism. Nature Materials. 17 (2), 195-203 (2018).
- Uzun, O., et al. Water-soluble amphiphilic gold nanoparticles with structured ligand shells. Chemical Communications. 2 (2), 196-198 (2008).
- Huang, R., et al. Colloidal stability of self-assembled monolayer-coated gold nanoparticles: The effects of surface compositional and structural heterogeneity. Langmuir. 29 (37), 11560-11566 (2013).
- Carney, R. P., et al. Electrical method to quantify nanoparticle interaction with lipid bilayers. ACS Nano. 7 (2), 932-942 (2013).
- Van Lehn, R. C., et al. Effect of particle diameter and surface composition on the spontaneous fusion of monolayer-protected gold nanoparticles with lipid bilayers. Nano Letters. 13 (9), 4060-4067 (2013).
- Huang, R., et al. Effects of surface compositional and structural heterogeneity on nanoparticle-protein interactions: Different protein configurations. ACS Nano. 8 (6), 5402-5412 (2014).
- Van Lehn, R. C., et al. Free energy change for insertion of charged, monolayer-protected nanoparticles into lipid bilayers. Soft Matter. 10 (4), 648-658 (2014).
- Ong, Q., et al. Characterization of Ligand Shell for Mixed-Ligand Coated Gold Nanoparticles. Accounts of Chemical Research. 50 (8), 1911-1919 (2017).
- Marbella, L. E., et al. NMR techniques for noble metal nanoparticles. Chemistry of Materials. 27 (8), 2721-2739 (2015).
- Templeton, A. C., et al. Reactivity of Monolayer-Protected Gold Cluster Molecules Steric Effects. Journal of American Chemical Society. 120 (8), 1906-1911 (1998).
- Harkness, K. M., et al. A structural mass spectrometry strategy for the relative quantitation of ligands on mixed monolayer-protected gold nanoparticles. Analytical Chemistry. 82 (22), 9268-9274 (2010).
