L'interazione tra fibrille di proteine ​​del siero di latte e nanotubi di carbonio o nano-cipolle di carbonio Parte 1

Riassunto: Le fibrille di proteine ​​isolate del siero di latte (WPI) sono state preparate utilizzando un processo di induzione dell'idrolisi acida.

Poiché le persone prestano sempre più attenzione a uno stile di vita sano, la memoria è gradualmente diventata un argomento di grande preoccupazione. La fibra è un ingrediente alimentare che molte persone generalmente ignorano. È anche strettamente correlato alla salute umana.

La fibra è una cellulosa vegetale indigeribile che può stimolare la peristalsi intestinale, favorire la defecazione, assorbire e ridurre i lipidi nel sangue, lo zucchero nel sangue e il colesterolo nel corpo umano e ridurre l'insorgenza di obesità e malattie cardiovascolari. Inoltre, le fibrille possono anche regolare l’equilibrio della microecologia intestinale, favorire l’assorbimento dei nutrienti e migliorare l’immunità.

Allo stesso tempo, sempre più studi hanno dimostrato che la fibrilla è anche strettamente correlata alla memoria. Il consumo di fibre può promuovere la salute intestinale, migliorare la funzione metabolica umana e migliorare l'immunità del corpo. Questi sono strettamente correlati al sistema nervoso umano e la salute del sistema nervoso è uno dei pilastri importanti della salute umana.

Inoltre, nutrienti come la vitamina B, la vitamina E e lo zinco ricco di fibre possono anche promuovere il normale sviluppo e funzionamento del sistema nervoso, migliorare la cognizione umana e la capacità di apprendimento e migliorare la memoria.

In sintesi, oltre a promuovere la salute fisica, le fibrille possono anche migliorare la memoria e l’intelligenza umana. Dobbiamo sviluppare buone abitudini alimentari e aumentare adeguatamente l’assunzione di alimenti contenenti fibre grezze, come avena, patate dolci e verdure a foglia verde, per mantenere una buona salute e promuovere un sano sviluppo del sistema nervoso. La memoria ci aiuta a imparare rapidamente e a perseguire una qualità di vita più elevata, quindi dovremmo essere positivi. Si vede che abbiamo bisogno di migliorare la nostra memoria, e la Cistanche può migliorare significativamente la memoria perché può anche regolare l'equilibrio dei neurotrasmettitori, come ad esempio aumentando i livelli di acetilcolina e i fattori di crescita, che sono molto importanti per la memoria e l'apprendimento. Inoltre, Cistanche può anche migliorare il flusso sanguigno e promuovere l'apporto di ossigeno, il che può garantire che il cervello ottenga nutrimento ed energia sufficienti, migliorando così la vitalità e la resistenza del cervello.

Fare clic su Scopri gli integratori per migliorare la memoria

I nanotubi di carbonio (CNT) e le nano-cipolle di carbonio (CNO) sono stati realizzati tramite la deposizione catalitica chimica in fase vapore (CVD) del metano. Le fibrille WPI-CNT e le fibrille WPI-CNO sono state preparate tramite sintesi idrotermale a 80 ◦C.

I compositi sono stati caratterizzati mediante analisi SEM, TEM, FTIR, XRD, Raman e TG. È stata studiata l'interazione tra fibrille WPI, CNT e CNO. Le fibrille WPI con CNT e CNO formavano gel e pellicole uniformi. CNT e CNO erano altamente dispersi nei gel. Gli idrogel di fibrille WPI con CNT (o CNO) potrebbero essere nuovi materiali con applicazioni in medicina o in altri campi.

I CNT e i CNO hanno accorciato le fibrille WPI, che potrebbero avere un importante valore di ricerca per la cura di malattie fibrotiche come il morbo di Parkinson e l'Alzheimer. Il FTIR ha rivelato che CNT e CNO avevano entrambi interazioni con le fibrille WPI.

L'analisi XRD ha suggerito che la maggior parte dei CNT erano avvolti in fibrille WPI, mentre i CNO erano parzialmente avvolti. Ciò ha contribuito ad aumentare la biocompatibilità e a ridurre la citotossicità di CNT e CNO. Studi di spettroscopia HR-TEM e Raman hanno mostrato che il livello di grafitizzazione dei CNT era maggiore rispetto ai CNO.

Dopo l'ibridazione con fibrille WPI, sono stati creati più difetti nei CNT, ma alcuni difetti originali sono stati eliminati nei CNO. I risultati del TG hanno indicato che si è formata una nuova fase di WPIfibril-CNT o CNO.

Parole chiave: fibrille di proteine ​​del siero di latte; nanotubi di carbonio; nano-cipolle di carbonio; compositi; interazione.

1. Introduzione

Le proteine ​​del siero di latte sono comuni e facilmente ottenibili dal latte bovino. Era di importanza pratica preparare le fibrille di proteine ​​isolate del siero di latte (WPI). Al giorno d'oggi, le fibrille damiloidi autoassemblate basate su componenti del siero di latte rappresentano un importante campo di ricerca [1–3].

Generalmente, le fibrille amiloidi derivano dall'associazione con l'amiloidosi. Ad esempio, il peptide isletamiloide è associato al diabete e la proteina β-amiloide è associata al morbo di Alzheimer [4].

Le fibrille proteiche possono anche essere sintetizzate in vitro. Inoltre, la lattoglobulina (-lg) può autoassemblare le proteine ​​fibrillari [5,6]. La -lg è una proteina globulare con un peso molecolare di 18.400 g·mol−1 e un raggio di circa 2 nm [7].

Può indurre la formazione di fibrille in caso di riscaldamento prolungato (6–24 ore) a 80 ◦C e ha un pH pari a 2 e una bassa forza ionica [8]. La lunghezza media delle fibrille è di 1–8 µm, con un diametro di circa 4 nm [9].

Il materiale proteico in queste fibrille è tenuto insieme da fogli intermolecolari [10]. Durante la formazione delle fibrille, la quantità di fogli aumenta. I nanotubi di carbonio (CNT) sono tubi cavi costituiti da fogli di grafite multistrato che ruotano e si arricciano attorno allo stesso asse ad un certo angolo [11].

I loro diametri vanno da 0.4 (SWCNT) a 100 nm (MWCNT); la loro lunghezza può raggiungere diversi micron; e hanno proprietà meccaniche superiori, stabilità chimica e un'ampia superficie specifica [12]. I nanotubi di carbonio sono spesso utilizzati come materiali di riempimento per preparare nanocompositi per migliorare i comportamenti meccanici dei materiali della matrice.

Anche le applicazioni biologiche dei nanotubi di carbonio sono state ampiamente studiate, ad esempio nei biosensori, nella somministrazione di farmaci e vaccini, nell'ingegneria dei tessuti [13] e nei nuovi biomateriali [14]. Tuttavia, i CNT incontaminati hanno scarsa solubilità e potenziale citotossicità [15]. Biomacromolecole attaccate come proteine, DNA e RNA possono promuovere la dispersione dei CNT [16].

Le interazioni fisiche con biomacromolecole potrebbero modificare la loro attività biologica in vivo [17]. Dopo la funzionalizzazione e la modifica, i CNT possono caricare diversi tipi di farmaci per scopi mirati [18]. I sistemi basati su CNT biocompatibili possono caricare più agenti terapeutici, di targeting e di sondaggio per la terapia del cancro.

È stato dimostrato che i CNT funzionalizzati possono attraversare la membrana plasmatica attraverso diversi meccanismi, in particolare attraverso l'endocitosi [19-21]. Le nano-cipolle di carbonio (CNO) comprendono più gusci concentrici di fullereni.

Le loro strutture gabbia nella gabbia generano alcune proprietà fisico-chimiche uniche. A differenza di qualsiasi altro allotropo del carbonio [22,23], i CNO sono ugualmente importanti quanto i CNT e i fullereni, che sono ideali per applicazioni di somministrazione di farmaci grazie alla loro capacità di rimanere nella circolazione sistemica per ore, aumentando le possibilità di accesso al sito bersaglio [24–28].

Nell'ingegneria dei tessuti, gli scaffold CNO modificati mostrano capacità di rigenerazione dei tessuti [28]. I CNO fluorescenti nel rosso lontano sono stati sviluppati per scopi di imaging cellulare [29].

Nonostante questo immenso potenziale, sembra che il ruolo di questo nuovo nanosistema nel campo biomedico sia stato trascurato per molti anni. La ricerca sui sistemi fibrille proteiche-nanomateriali di carbonio sarà di grande importanza nel trattamento delle malattie umane, nella riduzione della citotossicità dei nanomateriali di carbonio e nello sviluppo di nuove tecnologie.

La formazione di fibrille amiloidi in vivo potrebbe portare a una serie di malattie, come le malattie neurodegenerative di Alzheimer e di Parkinson. I ricercatori stanno cercando sostanze che possano inibire la fibrosi amiloide o distruggere le fibrille amiloidi [30,31]. La tabella 1 riassume alcuni degli studi sull'interazione dei nanomateriali di carbonio con le fibrille amiloidi [32].

Alcuni studi hanno dimostrato che i nanomateriali di carbonio possono interagire con varie proteine ​​biologiche [33]. I CNT sono ricoperti da macromolecole biologiche adsorbite nella soluzione biologica a causa della loro elevata area superficiale specifica e della superficie idrofobica [34].

Le proteine ​​adsorbite si riuniscono sulla superficie dei nanomateriali di carbonio per formare una "corona proteica" [34]. Anche l'interazione tra CNT e proteine ​​gioca un ruolo importante nella formazione dei fogli.

Ghule et al. hanno scoperto che i nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) fornivano superfici di interazione per l'assorbimento o l'incapsulamento delle proteine. Ciò potrebbe inibire la capacità della superficie non polare delle proteine ​​di legare le fibrille proteiche, prevenendo quindi un'ulteriore fibrosi della proteina [35].

Jana e Sengupta [36] e Wei et al. [37] hanno studiato l'autoassemblaggio del peptide A in presenza di nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) utilizzando la simulazione della dinamica molecolare (MD). Il peptide A è un peptide anfifilico corto e la sua aggregazione è strettamente correlata alla patogenesi della malattia di Alzheimer [38]. Il forte effetto idrofobico dei CNT può aiutare a localizzare i peptidi sulla superficie degli SWCNT.

Ciò impedisce la diffusione e inibisce la fibrosi dei peptidi. Proteine ​​come l'insulina, il lisozima, la -lattoglobulina e il citocromo c possono modellarsi sulla grafite [39,40]. Questa grafite nanostrutturata è in grado di guidare la sagoma dell'allineamento delle fibrille amiloidi [39]. È stata studiata anche l'interazione tra fullereni e materiali proteici.

Attraverso le misurazioni della fluorescenza ThT, Kim e Lee hanno scoperto che il fullerene potrebbe inibire la fibrosi delle proteine. Il fullerene potrebbe legarsi specificamente al motivo idrofobico centrale KLVFF, ostacolando così l'aggregazione del peptide A [41].

Si è scoperto che i fullereni idrati potrebbero non solo distruggere le fibrille amiloidi mature ma anche prevenire la formazione di nuove fibrille [42]. Podolski et al. hanno scoperto che i fullereni idratati potrebbero bloccare efficacemente l’aggregazione di A 25–35 [43].

Esistono pochi studi sull'interazione tra CNO e fibrille amiloidi. I CNO sono un nuovo allotropo con bassa tossicità e buona biocompatibilità. È auspicabile lo studio dell'interazione tra CNO e fibrille amiloidi.

D'altra parte, alcuni nanomateriali di carbonio sono stati combinati con macromolecole biologiche per preparare nanocompositi ibridi per l'ingegneria tissutale o il rilascio di farmaci a causa dei loro vantaggi meccanici ed elettrici [55-57].

Le fibrille amiloidi hanno anche determinati comportamenti meccanici e superfici di amminoacidi, che vengono utilizzati per preparare nanofili [58], idrogel [59], impalcature cellulari fibrose [60,61] e film organici funzionali solidi [62]. Le proteine ​​sono attaccate alle superfici dei CNT sotto forma di monomeri oroligomeri [63,64], per migliorare la loro solubilità in acqua e ridurre la loro citotossicità.

I CNT modificano le proprietà strutturali delle fibrille proteiche attraverso l'ibridazione e la ricombinazione per mirare alla somministrazione di farmaci terapeutici in vivo e distruggere le cellule tumorali [64,65]. Hendler et al. hanno utilizzato il metodo del "co-assemblaggio" per formare fibrille composite ibride amiloide-fullerene [66], che vengono utilizzate per la preparazione di nanomarcatori per la separazione del colore, materiali diagnostici e dispositivi optoelettronici.

Le proprietà speciali delle fibrille proteiche e dei nanomateriali di carbonio (come le proprietà meccaniche ed elettromagnetiche dei nanomateriali di carbonio e le proprietà biologiche dei materiali proteici) possono avvantaggiarsi a vicenda e la loro combinazione amplierà notevolmente i campi di applicazione di questi due tipi di nanomateriali.

Tuttavia, c’è ancora molta strada da fare per comprendere appieno l’interazione tra fibrille proteiche e nanomateriali di carbonio. In questa ricerca, abbiamo studiato l'interazione delle fibrille WPI con i CNT (o CNO) e caratterizzato i compositi delle fibrille WPI-CNT (o CNO) mediante SEM, TEM, XRD, Raman, FTIR e TG. Le fibrille WPI sono state preparate utilizzando un processo di induzione dell'idrolisi acida. I compositi fibrilla-CNT (o CNO) WPI sono stati realizzati utilizzando la sintesi idrotermale.

2. Materiali e metodi

2.1. Formazione di fibrille WPI

WPI-1 è stato acquistato da Davisco Foods International Inc. (97,8% senza lecitina,NM, USA) e WPI-2 è stato acquistato da Hilmar Ingredients (90,39% con lecitina,Hilmar, CA, USA).

Una soluzione madre (circa 6% in peso) è stata preparata sciogliendo il WPI in acqua Millipore. Il pH della soluzione è stato quindi regolato a 4,75 aggiungendo HCl 1 M, seguita da centrifugazione (10,000 giri/min, 60 min, 4 ◦C) e filtrazione del surnatante (FP 030/ 0,45 µm, Schleicher e Schuell). Dopo la filtrazione, il pH della soluzione filtrata è stato impostato su 2 utilizzando HCl 6 M.

La concentrazione proteica della soluzione madre è stata determinata utilizzando uno spettrofotometro UV (UV-1800PC, MAPADA, Shanghai, Cina) e una curva di calibrazione delle concentrazioni WPI note a una lunghezza d'onda di 278 nm.

La soluzione madre è stata diluita a una concentrazione proteica del 2% in peso con una soluzione di HCl a pH 2. La soluzione WPI è stata quindi riscaldata e agitata (circa 290 giri al minuto) per 20 ore a 80 ◦C per formare fibrille.

2.2. Preparazione CNT e CNO

2.2.1. Preparazione dei CNT

Preparazione del catalizzatore La2NiO4: La(NO3)3·6H2O e Ni(NO3)2·6H2O (molarrazione di La/Ni=2:1) sono stati sciolti in acqua deionizzata, quindi è stato aggiunto acido citrico. La soluzione è stata riscaldata a 80 ◦C per 1 ora agitando e, infine, si è trasformata in una sostanza colloidale.

La sostanza colloidale è stata calcinata in un forno a muffola (10 ◦C/min in aria; 300 ◦C per 1 h, quindi 800 ◦C per 5 h). Deposizione catalitica di vapore chimico (CVD) di metano per produrre CNT: il gas fisso Il reattore catalitico solido a gas bed è stato adottato per la CVD del metano per produrre CNT.

Il catalizzatore La2NiO4 (0,5 g) è stato posizionato all'interno di vaschette di quarzo in un reattore tubolare di quarzo. Innanzitutto, è stato utilizzato azoto (30 ml/min) per lavare il reattore per 30 minuti, quindi è stato utilizzato idrogeno (10 ml/min) per ridurre La2NiO4 a 600 ◦C per 1 ora.

Successivamente, il gas è stato cambiato in metano (60 mL/min) per CVD catalitico a 800 ◦C per 8 ore per sintetizzare i CNT. Purificazione dei CNT: i CNT miscelati con i catalizzatori sono stati purificati in acido nitrico 0,1 M a 80 ◦C con agitazione per 5 h.

È stato filtrato e lavato con acqua deionizzata cinque volte. Infine, il campione è stato essiccato a 120 ◦C per 6 ore.

2.2.2. Preparazione dei CNO

Pretrattamento del supporto in rete di acciaio inossidabile: le reti di acciaio inossidabile SS316 che misurano 20 mm × 20 mm sono state pulite ad ultrasuoni per 30 minuti in una soluzione di HCl 0,1 M. Quindi, le maglie tematiche sono state collocate in un reattore tubolare di quarzo.

Nel tubo di quarzo è stato introdotto vapore acqueo che trasporta gas azoto (vapore acqueo a 90 ◦ C). Il tubo di quarzo è stato riscaldato a 300 ◦C per 1 ora. La superficie dell'acciaio inossidabile è stata utilizzata come supporto del catalizzatore dopo tale trattamento.

Caricamento del catalizzatore: La rete di acciaio inossidabile pretrattata di cui sopra è stata immersa in una soluzione di nichelossalato. L'acido citrico è stato aggiunto agitando per 1 ora. La soluzione è stata riscaldata a 80 ◦C e infine trasformata in un colloide. Le reti colloidali e di acciaio inossidabile sono state messe in un crogiolo e calcinate in un forno a muffola (Zhonghuan, Tianjin, Cina) a 900 ◦C (10 ◦C/min, in aria) per 3 ore.

Infine, è stata ottenuta la rete di acciaio inossidabile caricata con catalizzatore. CVD catalitica del metano per produrre CNO [67]: è stato utilizzato anche un reattore gas-solido a letto fisso (Zhonghuan, Tianjin, Cina). Il catalizzatore a rete di acciaio inossidabile è stato posto in un tubo di quarzo.

È stato utilizzato azoto (30 mL/min) per spurgare il reattore a temperatura ambiente per 1 ora, quindi la temperatura è stata aumentata alla temperatura di reazione di 900 ◦C e l'azoto è stato convertito in metano (30 mL/min) per 8 ore per il cracking catalitico .

Alla fine, il metano è stato riconvertito in azoto gassoso e il reattore è stato raffreddato a temperatura ambiente. Infine, il catalizzatore a rete di acciaio inossidabile e i CNO sono stati rimossi. Purificazione dei CNO: un campione di CNO è stato prima setacciato per rimuovere le particelle libere del catalizzatore.

È stato quindi miscelato con HNO3 concentrato e fatto rifluire a 90 ◦C per 40 ore. Dopo la diluizione e il raffreddamento, è stata centrifugata a 4000 giri al minuto per 10 minuti e la soluzione acida è stata rimossa.

I restanti CNO sono stati risciacquati accuratamente utilizzando acqua distillata più volte fino al raggiungimento del pH neutro. Infine, i CNO purificati sono stati essiccati.

2.3. Preparazione di WPI Fibril-CNT (o CNO)

Le fibrille-CNT WPI (o CNO) sono state sintetizzate utilizzando il metodo idrotermale. I CNT (o CNO) con concentrazioni di {{0}}.05% in peso, 0,10% in peso e 0,15% in peso sono stati miscelati in acqua deionizzata e trattati ad ultrasuoni per 30 minuti per disperdersi nel miglior modo possibile.

Lo stesso volume di soluzione di fibrille WPI è stato aggiunto e miscelato con agitazione magnetica per 30 minuti. La miscela è stata quindi versata nel reattore dell'autoclave (Hongchen, Xi'an, Cina) per la reazione idrotermale (80 ◦C, 20 h).

Successivamente il prodotto è stato raffreddato a temperatura ambiente, l'autoclave è stata aperta ed è stata prelevata la miscela. Il prodotto è stato essiccato in forno (60 ◦C) per 48 h.

For more information:1950477648nn@gmail.com