文摘

菲₃O₄纳米颗粒(NPs)作为一种常用的靶向型药物载体被广泛用于治疗疾病的药物。然而,铁之间的作用机制₃O₄NPs和生物膜尚不清楚。因此,本文报道亲水性和疏水性铁的影响₃O₄NPs在混合1-palmitoyl-2-oleoyl -sn-glycero-3-phosphocholine (POPC)和1,2-dipalmitoyl -sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC),研究了使用水(磅)膜技术和原子力显微镜(AFM)。从表面压力区( - - - - - - )等温线,压缩模量计算。结果表明,疏水铁₃O₄NPs扩大了liquid-expanded (LE)和liquid-condensed (LC)阶段的混合POPC / DPPC单层膜。混合的压缩模量POPC / DPPC单分子层增加亲水铁₃O₄NPs,但相反的情况发生疏水铁₃O₄NPs。疏水铁的吸附₃O₄NPs在混合POPC / DPPC单层膜亲水性菲比₃O₄NPs。亲水铁之间的交互₃O₄NPs头极性基团的混合脂质分子之间的吸引力增加,而疏水性铁之间的交互₃O₄NPs的尾链混合脂质提高排斥力。AFM的单层膜的形态学观察验证的结果。本研究为铁的应用具有十分重要的帮助₃O₄NPs在生物系统。

1。介绍

如今,纳米颗粒(NPs)用于新材料的研究、生物成像、生物传感器、药物输送、和其他生物技术或生物相关系统(1- - - - - -5]。菲₃O₄NPs,低毒性和高生物相容性的特点,特别是发挥独特作用,药物输送系统的研究(6- - - - - -9]。基于铁的磁性₃O₄NPs,它可以用来作为载体携带靶向药物是准确地运到癌细胞区域。然而,为了使纳米颗粒进入细胞,有必要了解纳米颗粒与生物膜的相互作用。因此,迫切需要研究铁的影响₃O₄NPs和生物膜。

生物膜主要包含各种各样的脂质,胆固醇,和蛋白质10,11]。由于其成分的复杂性,研究使用脂质模型来研究其结构特点。在过去的几年中,人们主要研究铁的影响₃O₄在单脂质层(1]。有一些研究致力于铁₃O₄NPs和multilipids,特别是比较铁的不同的属性₃O₄NPs与生物膜的模型。因此,有必要研究亲水和疏水铁的影响₃O₄NPs在混合脂质层。

水(磅)方法是一种最有利的工具在体外研究中交互的空气与接口(12- - - - - -14]。电子显微镜对现代技术的重要性是不言而喻的,原子力显微镜(AFM)和扫描探针显微镜出名的是其独特的测量条件(室温和没有真空)和高分辨率表面形貌。AFM广泛应用于许多领域,如在材料科学,纳米技术,生物,和半导体行业15]。由于纳米AFM的技巧,它可以更好的观察表面形貌和结构的纳米粒子和生物膜模拟。在这项研究中,我们使用1-palmitoyl-2-oleoyl -sn-glycero-3-phosphocholine (POPC)和1,2-dipalmitoyl -sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC)脂质作为二进制生物膜模型探讨亲水性和疏水性铁之间的交互₃O₄NPs与生物膜模型。我们用磅和AFM技术研究稳定性、流动性和单层膜的吸附。

2。材料和方法

2.1。材料

1,2-Dipalmitoyl -sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC)和1-palmitoyl-2-oleoyl -sn-glycero-3-phosphocholine (POPC)购买从两代情粉极性脂质(美国AL)。亲水铁₃O₄NP方案(10 nm平均部分。大小、5毫克/毫升H₂O)和疏水铁₃O₄NP方案(10 nm平均部分。在甲苯大小、5毫克/毫升)从Sigma-Aldrich购买。在这些实验中,水是Milli-Q (18.2 MΩ·厘米)从微孔净化系统获得。

2.2。方法

单层实验和水(磅)电影(KSV Minitrough,芬兰)。这些都是由两个壁垒和Wilhelmy板。在实验中,一个朗缪尔槽和两个障碍与无水乙醇和至少清洗三次超纯水交替。子阶段的温度维持在 通过循环水设备。确切的体积的脂类的解决方案是添加到由汉密尔顿微量调节注射器(空气与接口16]。

表面压力区( - - - - - - )等温线曲线可以由计算机autoobtained单层。为了提高实验数据的可靠性,实验数据是反复计算至少三次。是单层沉积到新鲜裂解云母的表面压力5 mN / m和牵引设备20 mN / m 1毫米/分钟的速度。转让比例接近一个单位,表明云母几乎完全覆盖着一层。

LB膜的微观结构观察:利用spm - 9500 j3原子力显微镜(AFM)(日本岛津制作所Corp .)在室温下利用模式。最大的AFM图像扫描面积125×125μ米和范围约8μm收集使用micro-V-shaped悬臂探针(奥林巴斯光学有限公司,日本)。探测器是如果做的₃N₄弹簧常数为0.06 N / m和齿顶圆角半径10纳米。同时收集到的图像 分和1.0赫兹每行的扫描速度。

3所示。结果与讨论

3.1。 - - - - - - 等温线和单层膜的亲水性和疏水性铁₃O₄NPs

表面压力区( - - - - - - )等温线可以用来反映脂质层的相行为和热力学性质。的 - - - - - - 等温线POPC / DPPC单层膜与不同摩尔比在空气与界面如图1(一)。为纯DPPC单分子层,共存区域liquid-expanded和liquid-condensed (LE-LC)阶段观察到表面的压力4.5 mN / m,这是符合文献[17]。当 ,的相变点LE-LC阶段还观察到。然而,当增加到0.5和0.75,plateau-like LE-LC阶段消失了。DPPC的相变温度和POPC 41°C和2°C,分别为(18]。在室温下,DPPC阶段是在凝胶阶段,在液相POPC阶段。POPC / DPPC显示不同阶段的混合行为从纯粹的脂质。

数据1 (b)和1 (c)显示了 - - - - - - 等温线的混合POPC / DPPC单层膜与不同的子阶段,分别。子阶段,亲水性和疏水性铁的浓度₃O₄NPs是0.016毫米,这是一致的在所有的实验。我们发现等温线搬到更大的区域的方向为疏水性铁₃O₄NP案例为亲水性菲比₃O₄NP。

为了更容易理解亲水/疏水性铁的影响₃O₄NPs等温线的脂质层,总结在图相关的信息2。脂质层有三个特征参数:限制区域(一个经验参数近似分子占领的区域在零压力),崩溃的压力 ,和发射区(分子占领的地区等温线上升只是出现相关基线)(19]。

纯DPPC单层膜的限制区域只有38.8,而纯POPC 65.76的限制区域。在亲水/疏水性铁₃O₄NPs被添加到子阶段,单层的限制区域增加,疏水铁₃O₄NPs是亲水性菲比₃O₄NPs。坍塌压力随的增加而减小 。在POPC分子,疏水性铁₃O₄NPs显著影响单层膜的破裂压力,导致崩溃的压力显著下降。与纯DPPC单层膜相比,DPPC单层膜的发射区高亲水铁的存在₃O₄NPs,但降低与疏水性铁相比₃O₄NPs。

压缩模量可以计算的吗 - - - - - - 等温线(20.,21]研究压缩或朗缪尔的弹性层。它是计算如下: 在哪里和分别平均分子面积和表面压力。

压缩模量的最大值表明朗缪尔单层膜的刚性状态。图3代表了压缩模量与区域(vs。 )一定摩尔比的混合POPC / DPPC(纯POPC黑色,DPPC橄榄, 红色, 蓝色, 洋红色)在空气与接口。

为了方便起见,压缩模量的最大值如图4。在图4,值纯DPPC和POPC层202.89 mN / m和86.78 mN / m,分别说明它们在凝胶阶段,液相,分别。随着POPC的比例增加,值的混合POPC / DPPC层减少,表明混合脂质相变的共存的凝胶相(DPPC)和液相(POPC)。的存在POPC明显提高了朗缪尔单层膜的流动性。抗压模量DPPC亲水性菲时略微下降₃O₄NPs被添加到子阶段。然而,添加疏水性铁₃O₄NPs可以增加DPPC单层的僵化。

3.2。的 - - - - - - 吸附曲线混合POPC / DPPC单层膜

在我们的实验中,了解外源性物质,如药物的吸附或渗透性细胞膜或纳米颗粒,吸附容量的变化通常被解释为表面的压力随时间的变化(1,22]。图5显示表面pressure-time ( - - - - - - )吸附曲线不同摩尔比的混合POPC / DPPC 5 mN / m的初始压力和20 mN / m。图5(一个)显示了DPPC表面压力的变化和POPC单层膜的初始表面压力5 mN / m。的表面压DPPC单分子层逐渐随时间增大而减小。混合脂质层表面压力的增加略随着POPC的比例增加。我们发现的吸附曲线混合POPC / DPPC与亲水/疏水性铁₃O₄NPs从纯脂质(数据是不同的5 (b)和5 (c))。混合脂质表面压力的亲水铁的存在₃O₄NPs是高于纯脂质,脂质与疏水混合铁的表面压力₃O₄NPs明显低于纯脂质。吸附曲线的变化的纯和混合POPC / DPPC 20 mN / m的初始表面压力与初始表面压力的变化5 mN / m,但前者比后者更多样。发现数据5 (d)和5 (f)亲水性和疏水性铁的影响₃O₄NPs在混合脂质层的吸附曲线更明显的高表面压力(20 mN / m)。

在最初的表面压力5 mN / m(从0到100分钟)表面压差的增加而增加 。然而,在最初的20 mN / m,表面压力随的增加而减小 。这可能是由于不饱和尾POPC链分子,从而增加单层的流动性,使它更容易吸附到界面。也观察到疏水性铁₃O₄NPs拥有更大的影响力比亲水界面吸附容量铁₃O₄NPs。由于纳米颗粒的疏水性质,部分脂质分子从接口或挤压形成NP-lipid复合物子阶段。在初始表面压力20 mN / m,疏水性铁₃O₄NPs在脂质层的吸附产生巨大影响。吸附的表面压力曲线有较大的增加而增加 ,而与DPPC单层膜。高表面压力的变化不仅仅是低表面压力。因为脂质层的紧密的分子间排列在高表面压力,脂质尾链的静电斥力增强。

3.3。混合POPC / DPPC单层膜的热力学分析

混合脂质膜的溶混性和稳定性,我们可以澄清他们的热力学性质与过剩意味着分子区域( )和过量吉布斯自由能( )。对于二元混合物,我们给表面的压力 ,每个分子的理想区域 ,过剩意味着分子区域_,和过量吉布斯自由能(16,23,24];他们定义如下: 在哪里和的每个分子领域POPC和DPPC认为纯单层膜吗 ,和和是POPC的摩尔分数和DPPC二进制混合,分别;每个分子的实验评估领域的二元混合物,表面压力,阿佛加德罗数。

的值的混合脂质在理想的情况下混溶或完全不混容性为零(25]。根据之前的报道, 表明,脂质分子排斥相互作用, 表明,脂质分子的吸引作用[26]。图6显示了过剩意味着分子面积和脂质层的过量吉布斯自由能。一个负值的( )表明,有一个有吸引力的互动。一个积极的价值( )表明克分子数相等的POPC和DPPC排斥相互作用。在实验中,亲水性铁₃O₄NPs增强吸引相互作用的混合POPC / DPPC ( )单层膜。POPC分子层的内容进一步增加,和混合层的分子间相互作用从排斥变成迷人的交互(图6 (b))。这是因为亲水铁之间的互动₃O₄NPs和极地的混合脂质削弱了脂质分子的相互作用。在疏水铁的存在₃O₄NPs(图6 (c))的价值( )减少消极的价值随着表面压力的增加,表明之间的交互变化排斥力和吸引力的力量。在 和 ,的值分别是积极的和消极的。与亲水铁₃O₄NPs,脂质分子之间的斥力相互作用增强或吸引交互减毒在疏水性铁的存在₃O₄NPs。在图6 (d)的价值,有一个最低 ,表明单层膜是最稳定POPC: DPPC(1: 3),和亲水性的铁₃O₄NPs类似于这种情况。然而,对于疏水性铁₃O₄NP子阶段,最稳定的脂质层POPC: DPPC (3: 1)。

3.4。AFM图像的纯POPC DPPC和不同摩尔比的混合POPC / DPPC单层膜亲水和疏水铁₃O₄NPs在空气与接口

混合POPC / DPPC单层膜的AFM图像的初始压力5 mN / m和20 mN / m图所示7和8,分别。

在图7(a),纯DPPC单层膜的初始表面压力5 mN / m LE-LC阶段,和一个多边形不规则片状结构中观察到的AFM图像。的增加 ,它可以观察到,DPPC域逐渐减少,POPC液相出现。AFM模式DPPC单层膜的亲水性铁₃O₄NPs显示了部分分散platelet-like结构。混合POPC / DPPC ( )单层膜与亲水铁₃O₄NPs显示多孔,不规则的片状结构,比纯更紧凑 。由于亲水铁之间的交互₃O₄NPs DPPC分子的头,DPPC分子或NP-DPPC复合物进入子阶段,影响DPPC单层膜的界面安排。疏水的铁₃O₄NP条件,它展示了许多大片的统一的结构。的增加 ,大平台结构崩溃成许多小的领域。这可能是因为排斥相互作用的疏水性铁₃O₄NPs的尾链混合脂质分子导致lipid-NP复合物进入子阶段。

当表面压力提高到20 mN / m, DPPC层显示一个更加统一的分层结构。的增加 ,单层形式更小的区域结构。单层膜的相分离结构。在高表面(20 mN / m)的压力,DPPC单层膜的层状结构更紧凑的亲水铁₃O₄NPs。当铁子阶段₃O₄NPs, DPPC层变得更加凝聚。然而,对于疏水性铁₃O₄NPs,单层结构变得更加明显。亲水铁之间的交互₃O₄NPs与脂质头脂质分子之间的相互作用增强了吸引力。

数据9(一个)和9 (b))代表了表面粗糙度的AFM图像混合POPC / DPPC单层膜的初始压力5 mN / m和20 mN / m,分别。

在图9在最初的表面压力5 mN / m,铁的存在₃O₄NPs的表面粗糙度增加混合POPC / DPPC单分子层,和疏水性的影响比亲水性。然而,当最初的表面压力是20 mN / m,铁的影响₃O₄NPs粗糙度的混合POPC / DPPC不明显,变化范围只有0.15纳米。这可能是由于脂质分子的无序排列在低表面压力。当表面压力增加,增加脂质分子之间的顺序和导致脂质分子的密度分布,和铁的影响₃O₄NPs粗糙度的混合POPC / DPPC单分子层并不重要。

4所示。结论

本文的子阶段的影响混合POPC / DPPC层使用LB技术进行了研究。不同的内容对单层膜的结构有很大的影响。子阶段尤其是含有铁₃O₄NPs与不同的属性。为了进一步说明脂质与铁之间的相互作用₃O₄NPs,我们使用AFM研究它们之间的表面形态。结果表明,疏水铁的排斥作用₃O₄NPs的尾链混合脂质分子导致lipid-NP复合物进入子阶段。亲水铁之间的交互₃O₄NPs与脂质头脂质分子之间的相互作用增强了吸引力。与此同时,菲₃O₄NPs可以增加粗糙度的混合POPC / DPPC单层在低压力和表面疏水性的影响比亲水性更强;然而,高表面压下的效果不明显。这项研究帮助我们获得纳米粒子之间的相互作用和分子的新见解。这可能有一个潜在的应用在设计目标药物脂质体。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(11874039),基础研究基金为中央大学(GK201803021和GK201806004),陕西师范大学实验技术研究项目(SYJS201730)。