CN111099662B - 利用磁小体制备哑铃型复合纳米材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物材料技术领域，具体涉及利用磁小体制备哑铃型复合纳米材料的方法。本发明发现磁小体可与银、金等贵金属离子作用，使得贵金属离子在磁小体的特定晶面生成纳米颗粒，制备哑铃型复合纳米材料。本发明通过将磁小体与金属盐溶液进行孵育制备哑铃型磁小体复合纳米材料，该制备方法简单易行，在制备过程中不需要使用高温高压装置和有机催化剂，是一种环境友好型的制备方法，具有较高的应用价值，适于广泛推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及生物材料技术领域，具体涉及磁小体在制备哑铃型复合纳米材料中的应用以及利用磁小体制备哑铃型磁小体-贵金属复合纳米材料的方法。
背景技术
磁小体(magnetosome，bacterial magnetic nanoparticle，BMPs)是趋磁细菌在体内合成的、单位膜包被的磁性纳米颗粒，主要由Fe3O4或Fe3S4组成。外层的单位膜称为磁小体膜，膜上含有多种与磁小体合成相关的膜蛋白。趋磁细菌在自然界分布广泛，且种类多样，具有螺状、杆状、球状和多细胞等形态。不同种类趋磁细菌合成的磁小体晶型和大小各异。Magnetospirillum gryphiswaldense MSR-1是趋磁螺菌的模式菌株，是为数不多的既可摇瓶又可发酵罐培养的菌株，并且磁小体的产量较高。MSR-1合成的磁小体为立方八面体型，直径30-50nm，核心部分是Fe3O4。磁小体膜蛋白中的MamC和MamF的含量最丰富。申请人在前期研究中分别将其敲除，构建相应的突变株MSR-ΔF和MSR-ΔC。经发酵罐培养，突变株MSR-ΔF和MSR-ΔC均可合成磁小体。
趋磁细菌合成的磁小体大小均一、晶型稳定，具有单磁畴、顺磁性，可选择的形态多样，且由于有单位膜包被，相对容易分散，是理想的三维纳米磁性材料。通过化学修饰或磁小体的表面展示技术，磁小体可用于基因转染，肿瘤的检测和靶向治疗，环境污染物或病原菌的检测等。但是，目前磁小体的应用一直在模仿商业磁珠，缺少创新性，也无法突出磁小体的特征。探寻和发现磁小体应用的新领域具有重要意义。
复合型纳米材料是目前研究的热点，如Fe3O4-Au、Fe3O4-Ag、和Fe3O4-Pt等，其中，尤其是哑铃型纳米复合材料的制备和应用的研究更为热门。复合材料既保留了单个材料的特性，同时由于两材料间存在电子传递，又赋予其新的特征，具有较高的应用价值。如哑铃型的Fe3O4-Ag复合材料，既保留了纳米银的特性，可用于杀菌、防腐和化学催化剂等；又具有磁学特性，可用于磁热疗、造影剂等；而且还具有光学活性，可制成纳米棱镜。Fe3O4晶体与纳米Ag之间存在电子传递，提高了复合材料的性能，使得其具有催化活性高，造影效果好和热比容高等特点。同时复合材料容易回收，能够防止纳米银的扩散，减少纳米材料使用过程中对环境造成的污染和人体危害。
目前，哑铃型的纳米复合材料制备较为困难，多是通过化学法制备，需要高温的反应釜和易燃易爆有机溶剂的催化，对实验设备和操作者的要求较为严格，并且易造成环境的污染。
发明内容
为解决现有技术中的技术问题，本发明的目的在于提供磁小体在制备哑铃型复合纳米材料中的应用以及利用磁小体制备哑铃型磁小体-贵金属复合纳米材料的方法。
一般地，当金属离子与由单位膜包被的粒子相互作用时，通常会被认为金属离子由于正负电荷的作用，会均匀地沉积在单位膜上，很难想到金属离子会在粒子的特定晶面聚集生成纳米颗粒。磁小体的表面由单位膜包被，基于磁小体的这种性质，尽管磁小体具有优异的物理化学性质，是理想的材料选择，但是，现有技术中从未有过关于磁小体形成哑铃型复合材料的研究。本发明意外地发现，当磁小体与贵金属离子相互作用时，金属离子可在其特定的晶面形成纳米颗粒，形成哑铃型结构的复合材料。
具体地，本发明的技术方案如下：
一方面，本发明提供磁小体在制备哑铃型复合纳米材料中的应用。
优选地，所述复合纳米材料为磁小体-贵金属复合纳米材料。
本发明发现，贵金属离子可在磁小体的特定晶面形成纳米颗粒，进而形成哑铃型复合材料。更优选地，所述磁小体-贵金属复合纳米材料为磁小体-银(BMPs-Ag)复合纳米材料或磁小体-金(BMPs-Au)复合纳米材料。
另一方面，本发明提供一种哑铃型磁小体-金属复合纳米材料的制备方法，包括：将磁小体与含贵金属离子的底物混合孵育。
优选地，所述孵育为于4～8℃孵育10～15h或于20～25℃孵育1～3h。本发明发现，在上述孵育条件下，金属离子能够更好地在磁小体的特定晶面聚集为纳米颗粒，形成哑铃型结构。
若磁小体在4℃储存超过一周以上，可适当延伸所述孵育的时间。
优选地，所述磁小体-贵金属复合纳米材料为磁小体-银复合纳米材料或磁小体-金复合纳米材料；所述含贵金属离子的底物为贵金属盐溶液。
所述贵金属盐溶液包括但不限于硝酸盐溶液(如硝酸银溶液)、氯酸盐溶液(如氯金酸溶液)。
用于制备磁小体-金属复合纳米材料的磁小体可为从趋磁细菌中提取得到，所述磁小体的制备方法包括：将趋磁细菌进行细胞破碎，经磁铁吸附后收集磁小体粗提物，利用缓冲液重悬所述磁小体粗提物，先采用缓冲液清洗，再采用水反复清洗。
所述趋磁细菌可为任意自然界分离得到或经人工改造的能够合成磁小体的趋磁细菌，例如：Magnetospirillum magneticum AMB-1，Magnetospirillum gryphiswaldenseMSR-1和敲除磁小体膜蛋白中的MamC、MamF的Magnetospirillum gryphiswaldense MSR-1突变体。
从趋磁细菌中提取的磁小体，表面会附着许多杂蛋白质和细胞碎片等杂质，这些杂质的残留会影响贵金属离子泵入到磁小体膜内，从而影响纳米金或银的生成。采用低盐浓度的缓冲液清洗可去除磁小体表面的杂质，随后采用双蒸水清洗去除磁小体表面残留的缓冲液组分(主要是PO4 3-和Cl-)，防止生成贵金属磷酸盐或氯化物等沉淀，可有效保证制备的磁小体-贵金属复合纳米材料的纯净度。
优选地，所述采用缓冲液清洗为在低功率超声条件下清洗至清洗液中的蛋白浓度低于0.05～0.1mg/mL时停止；
更优选地，所述采用缓冲液清洗包括：依次在210～230W、180～200W、150～170W、120～140W、85～105W条件下各清洗10～30min。采用上述超声梯度清洗方法能够更好地去除磁小体表面的蛋白等杂质，同时不影响磁小体形成哑铃型复合结构。
上述各次清洗后采用磁铁吸附收集磁小体。
更优选地，所述缓冲液的浓度为10～50mM；所述采用水反复清洗为采用双蒸水清洗2～5次。
用于清洗磁小体的的缓冲液包括但不限于磷酸盐缓冲液、Tris-HCl、Hepes。
作为本发明的一种优选实施方式，提供一种磁小体-银复合纳米材料或磁小体-金复合纳米材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)趋磁细菌的培养：采用发酵罐进行趋磁细菌的大量培养，培养过程中，通气量设置为1L/min，温度30℃，溶氧控制在0-1％，pH控制在6.8；采用pH和补料偶联的方式进行发酵罐自动培养，当菌体的磁响应参数(Cmag值)低于0.8时，结束发酵，离心收集菌体；
(2)磁小体纯化：将菌体细胞悬浮于pH 7.4、50mM的PBS缓冲液，菌体细胞与PBS缓冲液的体积比例为小于1:10；超声波破碎仪进行细胞破碎，250～350W超声60min(超声波工作时间3s间隔时间5s)；于4℃进行磁铁吸附24h，弃上清；采用10mM PBS悬浮磁小体，低功率超声波下进行磁小体的反复清洗(清洗过程：224W，清洗15min；192W,清洗15min；160W，清洗15min；128W，清洗15min；128W，清洗15min；96W，清洗15min)和磁铁吸附，直至清洗液中的蛋白浓度低于0.1mg/ml；再用蒸馏水反复清洗3次，以去除磁小体表面残留的磷酸根离子和氯离子；
(3)磁小体-贵金属复合纳米材料的制备：取0.5mg的磁小体悬浮于2ml 20mg/ml的AgNO3或HAuCl4溶液，超声波清洗器处理30s，彻底混匀磁小体与AgNO3/HAuCl4溶液；于4℃静置孵育12h或20～25℃孵育1～3h；经磁力架吸附后弃上清，采用ddH2O反复清洗2次，得到哑铃型磁小体-银/金复合纳米材料。
另一方面，本发明还提供一种哑铃型磁小体-贵金属复合纳米材料，所述哑铃型磁小体-金属复合纳米材料的一端为磁小体，与之连接的另一端为纳米贵金属颗粒。
优选地，所述纳米贵金属颗粒为纳米银颗粒或纳米金颗粒。
优选地，所述哑铃型磁小体-贵金属复合纳米材料为由所述哑铃型磁小体-贵金属复合纳米材料的制备方法制备得到。
本发明发现上述制备的磁小体-贵金属复合纳米材料在去除磁小体膜后，纳米贵金属颗粒与磁小体核心部分的Fe3O4仍牢固结合，因此可用于制备哑铃型Fe3O4-贵金属复合纳米材料。
本发明还提供一种哑铃型Fe3O4-贵金属复合纳米材料的制备方法，包括：将所述哑铃型磁小体-贵金属复合纳米材料的制备方法制备得到的哑铃型磁小体–贵金属复合纳米材料去除磁小体膜。
优选地，所述Fe3O4-贵金属复合纳米材料为Fe3O4-Ag复合纳米材料或Fe3O4-Au复合纳米材料；所述去除磁小体膜包括：将所述哑铃型磁小体–贵金属复合纳米材料悬浮于去膜处理溶液中，煮沸10～20min，用水反复清洗后采用磁铁吸附；所述去膜处理溶液包括SDS和NaOH。
更优选地，所述去除磁小体膜包括：将所述哑铃型磁小体-贵金属复合纳米材料悬浮于10％SDS与2M NaOH混合液，沸水浴煮沸15min，磁铁吸附，弃上清；采用ddH2O反复清洗2次，即得。
本发明提供所述哑铃型磁小体-贵金属复合纳米材料的制备方法或所述哑铃型磁小体-贵金属复合纳米材料所述哑铃型Fe3O4-贵金属复合纳米材料的制备方法在制备杀菌剂、防腐剂、化学催化剂、磁热疗剂、造影剂或纳米棱镜中的应用。
本发明的有益效果在于：本发明首次发现了磁小体的新用途，磁小体可与贵金属银或金等金属离子作用，使得金属离子能够穿过磁小体膜，在磁小体的特定晶面形成纳米颗粒，制备哑铃型复合纳米材料。该复合纳米材料在去除磁小体膜后，纳米贵金属颗粒与磁小体核心部分的Fe3O4仍牢固结合，可用于制备哑铃型Fe3O4-贵金属复合纳米材料。本发明提供的哑铃型复合纳米材料的制备方法简单易行，在制备过程中不需要使用高温高压装置和有机催化剂，是一种环境友好型的制备方法，具有较高的应用价值，适于广泛推广应用。
附图说明
图1为本发明实验例1中实施例1的哑铃型磁小体-银复合纳米材料的透射电镜图。
图2为本发明实验例1中实施例2的哑铃型磁小体-银复合纳米材料的透射电镜图。
图3为本发明实验例1中实施例3的哑铃型磁小体-银复合纳米材料的透射电镜图。
图4为本发明实验例1中实施例4的哑铃型磁小体-银复合纳米材料的透射电镜图。
图5为本发明实验例1中实施例5的哑铃型磁小体-银复合纳米材料的透射电镜图。
图6为本发明实验例1中实施例1的哑铃型磁小体-银复合纳米材料的能谱分析结果。
图7为本发明实验例1中实施例6的哑铃型磁小体-金复合纳米材料的透射电镜图。
图8为本发明实验例1中实施例7的哑铃型Fe3O4-Ag复合纳米材料的透射电镜图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用于对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1哑铃型磁小体-银复合纳米材料的制备(1)
本实施例提供一种哑铃型磁小体-银复合纳米材料的制备方法，具体如下：
(1)趋磁细菌的深层发酵罐培养
将野生型磁螺菌Magnetospirillum gryphiswaldense MSR-1(MSR-WT)进行发酵罐培养，用于菌体的大量收集和磁小体纯化：-80℃保存的菌株，以1:10的比例接种于新鲜的乳酸钠培养基中，30℃、100rpm培养24h；连续活化两代，第三代种子液进行发酵罐培养，发酵罐培养条件参考文献Zhang Y,Zhang X,Jiang W,Li Y,Li J.Semicontinuousculture of Magnetospirillum gryphiswaldense MSR-1 cells in an autofermentorby nutrient-balanced and isosmotic feeding strategies.Appl EnvironMicrobiol.2011；77(17):5851-5856。发酵过程中，通气量设置为1L/min，温度设置为30℃；通过转速的稳定增加，使溶氧控制在0-1％；将补料与pH偶联，使pH稳定在6.8。趋磁细菌是微好氧型细菌，低氧下可合成磁小体。检测发酵过程中，菌体的生长(OD565)和磁小体的合成(根据Cmag值判断)状况。当Cmag值降低至0.8时，结束发酵罐培养；采用离心机进行3000rpm离心30min收集菌体；收集的菌体细胞储存于-40℃，用于磁小体的纯化；
(2)磁小体纯化：将步骤(1)收集的菌体细胞以小于1:10的比例悬浮于pH7.4、50mM的PBS缓冲液，超声波破碎仪进行细胞破碎，320W超声60min(超声波工作时间3s间隔时间5s)；4℃磁铁吸附24h，弃上清；10mM PBS悬浮磁小体(1mg BMP加大于100μL PBS)，低功率超声波下，进行磁小体的反复清洗(清洗过程224W，清洗15min；192W,清洗15min；160W，清洗15min；128W，清洗15min；128W，清洗15min；96W，清洗15min)和磁铁吸附，直至清洗液中的蛋白浓度低于0.1mg/ml，获得纯净的磁小体；蒸馏水反复清洗3次，以去除磁小体表面残留的磷酸根和氯离子；
(3)磁小体-贵金属复合纳米材料的制备：取0.5mg的磁小体悬浮于2ml、20mg/ml的AgNO3溶液，超声波清洗器清洗30s，彻底混匀磁小体与AgNO3；25℃孵育3h；磁力架吸附后弃上清；采用2ml ddH2O反复清洗2次，制备得到哑铃型的磁小体-银复合纳米材料。
(4)Fe3O4-Ag/Au复合材料的制备：将磁小体-银/金复合纳米材料悬浮于10％SDS与2M NaOH混合液，沸水浴煮沸15min，磁贴吸附，弃上清。采用ddH2O反复清洗2次，得倒Fe3O4-Ag/Au复合材料。
实施例2哑铃型磁小体-银复合纳米材料的制备(2)
本实施例提供一种哑铃型磁小体-银复合纳米材料的制备方法，与实施例1的区别仅在于，步骤(1)中采用的趋磁细菌为Magnetospirillum gryphiswaldense MSR-1的MamF敲除突变株(MSR-ΔF)。
实施例3哑铃型磁小体-银复合纳米材料的制备(3)
本实施例提供一种哑铃型磁小体-银复合纳米材料的制备方法，与实施例1的区别仅在于，步骤(1)中采用的趋磁细菌为Magnetospirillum gryphiswaldense MSR-1的MamC敲除突变株(MSR-ΔC)。
实施例4哑铃型磁小体-银复合纳米材料的制备(4)
本实施例提供一种哑铃型磁小体-银复合纳米材料的制备方法，与实施例1的区别仅在于，步骤(1)中采用的趋磁细菌为M.magneticum AMB-1菌株。
实施例5哑铃型磁小体-银复合纳米材料的制备(5)
本实施例提供一种哑铃型磁小体-银复合纳米材料的制备方法，与实施例1的区别仅在于，步骤(3)中孵育为在4℃静置孵育12h。
实施例6哑铃型磁小体-金复合纳米材料的制备
本实施例提供一种哑铃型磁小体-金复合纳米材料的制备方法，与实施例1的区别仅在于，步骤(3)中取0.5mg的磁小体悬浮于2ml、20mg/ml的HAuCl4溶液，超声波清洗器清洗30s，彻底混匀磁小体与HAuCl4。
实施例7哑铃型Fe3O4-Ag复合纳米材料的制备
本实施例提供一种哑铃型Fe3O4-Ag复合纳米材料的制备方法，其包括实施例1的步骤(1)～(3)，还包括如下步骤(4)：
(4)Fe3O4-Ag复合纳米材料的制备：将步骤(3)得到的磁小体-银复合纳米材料悬浮于去膜处理溶液(组成如下：10％SDS，2M NaOH)中，沸水浴煮沸15min，磁铁吸附，弃上清；采用双蒸水反复清洗2次，得到Fe3O4-Ag复合纳米材料。
实施例8哑铃型Fe3O4-Au复合纳米材料的制备
本实施例提供一种哑铃型Fe3O4-Au复合纳米材料的制备方法，其包括实施例6的步骤(1)～(3)，还包括如下步骤(4)：
(4)Fe3O4-Au复合纳米材料的制备：将步骤(3)得到的磁小体-金复合纳米材料悬浮于去膜处理溶液(组成如下：10％SDS，2M NaOH)中，沸水浴煮沸15min，磁铁吸附，弃上清；采用双蒸水反复清洗2次，得到Fe3O4-Au复合纳米材料。
对比例1
本对比例提供一种哑铃型磁小体-银复合纳米材料的制备方法，与实施例1的区别仅在于，步骤(3)中磁小体与AgNO3溶液的孵育时间为30min。
实验例1磁小体-银复合纳米材料的结构和成分分析
分别对实施例1～5和对比例1制备得到的磁小体-银复合纳米材料进行透射电镜分析，其中，实施例1～5制备得到的磁小体-银复合纳米材料的电镜检测结果分别如图1、图2、图3、图4和图5所示，结果显示，各实施例在磁小体特定的晶面均催化生成了纳米银颗粒，大小约为9nm，表明利用实施例1～5的方法制备得到了哑铃型磁小体-银复合纳米材料；菌株MSR-1、MSR-ΔF、MSR-ΔC和AMB-1合成的磁小体均可在其特定晶面催化生成纳米银颗粒，形成哑铃型复合纳米材料，表明纳米银的生成与磁小体的来源和种类无关。而对比例1则不能合成成熟的纳米银颗粒，无法制备得到哑铃型磁小体-银复合纳米材料。
对实施例1～5制备得到的磁小体-银复合纳米材料进行能谱分析，其中，实施例1的分析结果如图6和表1所示，结果显示，复合纳米材料中，银占总成分的0.2％，其它成分C(93.1％)、O(2.67％)和Cu(2.77％)来源于样品检测时的载体铜网，Si(1.0％)来源于样品杆，其余的Fe和S来源来源于磁小体，根据该结果可确定生成的纳米颗粒为银颗粒。实施例2～5的分析结果与实施例1相近。
表1能谱分析各元素所占比例
对实施例6制备得到的磁小体-金复合纳米材料进行透射电镜分析，结果如图7所示，结果表明当磁小体与金离子孵育后，同样可在磁小体特定晶面合成纳米金颗粒。
对实施例7制备得到的Fe3O4-Ag复合纳米材料进行透射电镜分析，结果如图8所示，结果表明，本发明制备的磁小体-银的复合纳米材料，在去除磁小体膜后，纳米Ag与磁小体核心部分的Fe3O4仍可以牢固结合，可合成Fe3O4-Ag复合纳米材料。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (9)
1.一种哑铃型磁小体-贵金属复合纳米材料的制备方法，其特征在于，包括：将磁小体与含贵金属离子的底物混合孵育；
所述孵育为于4～8℃孵育10～15h或于20～25℃孵育1～3h；
所述磁小体的制备方法包括：将趋磁细菌进行细胞破碎，经磁铁吸附后收集磁小体粗提物，利用缓冲液重悬所述磁小体粗提物，先采用缓冲液清洗，再采用水反复清洗；
所述采用缓冲液清洗包括：依次在210～230W、180～200W、150～170W、120～140W、85～105W条件下各清洗10～30min。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述磁小体-贵金属复合纳米材料为磁小体-银复合纳米材料或磁小体-金复合纳米材料；所述含贵金属离子的底物为贵金属盐溶液。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述采用缓冲液清洗为在低功率超声条件下清洗至清洗液中的蛋白浓度低于0.05～0.1mg/mL时停止。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述缓冲液的浓度为10～50mM；所述采用水反复清洗为采用双蒸水清洗2～5次。
5.一种哑铃型磁小体-贵金属复合纳米材料，其特征在于，所述哑铃型磁小体-贵金属复合纳米材料的一端为磁小体，与之连接的另一端为纳米贵金属颗粒；所述哑铃型磁小体-贵金属复合纳米材料由权利要求1～4任一项所述的制备方法制备得到。
6.根据权利要求5所述的哑铃型磁小体-贵金属复合纳米材料，其特征在于，所述纳米贵金属颗粒为纳米银颗粒或纳米金颗粒。
7.一种哑铃型Fe3O4-贵金属复合纳米材料的制备方法，其特征在于，包括：将权利要求1～4任一项所述的制备方法制备得到的哑铃型磁小体-贵金属复合纳米材料或权利要求5或6所述的哑铃型磁小体-贵金属复合纳米材料去除磁小体膜。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述Fe3O4-贵金属复合纳米材料为Fe3O4-Ag复合纳米材料或Fe3O4-Au复合纳米材料；所述去除磁小体膜包括：将所述哑铃型磁小体-贵金属复合纳米材料悬浮于去膜处理溶液中，煮沸10～20min，用水反复清洗后采用磁铁吸附；所述去膜处理溶液包括SDS和NaOH。
9.权利要求1～4任一项所述的制备方法或权利要求5或6所述的哑铃型磁小体-贵金属复合纳米材料或权利要求7或8所述的制备方法在制备杀菌剂、防腐剂、化学催化剂、磁热疗剂、造影剂或纳米棱镜中的应用。
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