Diese Arbeit wird unterstützt vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie, Taiwan, Republik China, die unter Nummer am 105-2221-E-011-008 gewähren, und auch von Advanced-Connectek Inc., Taipei, Taiwan, ROC unter Vertrag und die Nummer RD Ref Nr. 6749 Abt. Ref Nr. 011 durch die Abgestufte Institut von Electro-Optical Engineering, National Taiwan University of Science und Technologie.

Achtung: Latex-Handschuhe, schützende Brillen und einen Laborkittel für die Durchführung des Experiments. Wenn das Biosafety-Kabinett zu benutzen, schalten Sie den Schaltschrank Lüfter und halten Sie die Schranktür halb geschlossen.
1. Vorbereitung von Glasperlen
<ol><li>100 Glasperlen mit 3 mm Durchmesser in einer Flasche 100 mL Labor, und dann cap sie fest.</li>
	<li>Autoklaven der Inhalt bei 120 ° C für 10 Minuten.</li>
	<li>Lassen Sie die Flasche, um auf Raumtemperatur abkühlen, dann legen Sie sie in die Biosicherheit Kabinett.</li>
</ol>2. Vorbereitung des Lysogeny Brühe (LB)
<ol><li>8 g Pulver LB-Lennox Brühe in einen 500-mL-Labor-Flasche mit 400 mL Wasser auflösen.</li>
	<li>Rühren Sie den Inhalt mit einer PTFE magnetischen Rührstab für 20 min und dann Kappe es fest.</li>
	<li>Autoklaven der Inhalt bei 120 ° C für 10 Minuten.</li>
	<li>Lassen Sie die Lösung auf Raumtemperatur abkühlen und legen Sie sie in die Biosicherheit Kabinett.</li>
	<li>Mit Hilfe einer Pipette, aliquoten die Brühe in acht 15-mL-Zentrifuge Röhren in der Biosicherheit Kabinett (12,5 mL).</li>
	<li>Aliquoten die restliche Brühe in drei 100 mL Laborflaschen im Kabinett der Biosicherheit (100 mL). Verschließen Sie die drei Flaschen fest. Bewahren sie die Biosicherheit Kabinett.</li>
</ol>3. Kultur Shewanella Algen
<ol><li>Verwenden Sie die tiefgefrorene kryokonservierte Belastung.</li>
	<li>Herausgreifen Sie in der Biosicherheit Kabinett 1 mL des gefrorenen Materials aus dem gefrorenen Rohr mit einem Spatel aus rostfreiem Stahl, und legen Sie sie in ein Zentrifugenröhrchen in Schritt 3.5 vorbereitet.</li>
	<li>Inkubieren Sie die Kulturen für 24 h in einem Inkubator 37 ° C.</li>
</ol>4. Vorbereitung der LB-Lennox (Brühe mit Agar) Petrischalen
<ol><li>Zwei Tabletten von LB-Lennox (Brühe mit Agar) in ein Labor 100-mL-Flasche mit 100 mL Wasser auflösen.</li>
	<li>Rühren Sie den Inhalt mit einer PTFE magnetischen Rührstab für 20 min und dann Kappe es fest.</li>
	<li>Autoklaven der Inhalt bei 120 ° C für 10 Minuten.</li>
	<li>In der Biosicherheit Kabinett Aliquote von Hand 100 mL Lösung in 4 Petrischalen, jede Gewährleistung erhalten ~ 25 mL. Lassen Sie die Lösung auf Raumtemperatur abkühlen lassen.</li>
</ol>5. Vorbereitung des monoklonalen Bakterien
<ol><li>Beschriften Sie in der Biosicherheit Kabinett die drei Flaschen im Schritt 2.6, #1, #2 und #3, bzw. vorbereitet.</li>
	<li>Die resultierende Bakteriensuspension in Schritt 3.3 in #1 Flasche 0,1 mL Pipette. Verschließen Sie die Flasche und schwingen Sie es eigenhändig für 1 min um eine homogene Lösung zu erhalten.</li>
	<li>Die daraus resultierende bakterielle Flüssigkeit im Schritt 5.2 in Flasche #2 0,1 mL Pipette. Verschließen Sie die Flasche und schwingen Sie es eigenhändig für 1 min um eine homogene Lösung zu erhalten.</li>
	<li>Pipette 0,1 mL der resultierenden bakterielle Flüssigkeit im Schritt 5.3 in Flasche #3. Verschließen Sie die Flasche und schütteln Sie sie von hand für 1 min um eine homogene Lösung zu erhalten.</li>
	<li>Die Flüssigkeit in der Flasche #3 in den 4 Petrischalen vorbereitet in Schritt 4.4, mit einem Volumen von 0,02 mL Pipette.</li>
	<li>Setzen Sie die Glasperlen in Schritt 1.3 in den 4 Petrischalen verwendet, 4 Perlen in jedes Gericht zubereitet.</li>
	<li>Schließen Sie die Abdeckungen der Petrischalen und schütteln Sie sie von hand für 1 min.</li>
	<li>Die Petrischalen umdrehen und in einem Inkubator 37 ° C für 24 h inkubieren.</li>
</ol>6. Multiplikation von monoklonalen Bakterien
<ol><li>7 Rohre in Schritt 2.5 vorbereitet zu holen.</li>
	<li>Wählen Sie die resultierenden monoklonalen Bakterien aus den 4 Petrischalen vorbereitet in Schritt 5.8 mit einem Edelstahl-Spatel, und steckte sie in 7 Röhren getrennt.</li>
	<li>Verlassen Sie die 7 Rohre in einem Inkubator 37 ° C für 24 h.</li>
	<li>Wählen Sie diejenige mit der größten Lichtstreuung mit der visuellen farbmetrischen Methode.</li>
</ol>7. Vorbereitung der LB-Lennox Brühe mit Traubenzucker und Salz
<ol><li>Eine Flasche von 500 mL Labor LB-Lennox Brühe 10 g, 10 g NaCl und 10 g Glukose umgesetzt. Fügen Sie Wasser hinzu, bis das Volumen 450 mL erreicht.</li>
	<li>Rühren Sie den Inhalt mit einer PTFE magnetischen Rührstab für 20 min.</li>
	<li>Autoklaven der Inhalt bei 120 ° C für 10 Minuten.</li>
</ol>8. Vorbereitung der Natrium-Wolframat
<ol><li>Setzen Sie 16,5 g Natrium Wolframat Na2WO4.2h2O in eine Flasche 100 mL Labor mit einem Spatel aus rostfreiem Stahl. Fügen Sie Wasser hinzu, bis das Volumen 50 mL erreicht.</li>
	<li>Rühren Sie den Inhalt mit einer PTFE magnetischen Rührstab für 20 min.</li>
	<li>Autoklaven der Inhalt bei 120 ° C für 10 Minuten.</li>
	<li>Erhalten Sie in der Biosicherheit Kabinett Filtrat über einen Vakuum Glasfaser-Filter mit Poren von 1 µm.</li>
</ol>9. Vorbereitung der LB mit Glukose, Salz und Natrium Wolframat
<ol><li>Gießen Sie in der Biosicherheit Kabinett das Filtrat erlangte Schritt 8,4 von hand in die Lösung mit Traubenzucker und Salz im Schritt 7.3 vorbereitet.</li>
	<li>Im Kabinett Biosicherheit, aliquoten mit einer Pipette die 500 mL resultierende Lösung im Schritt 9.1 in 10 x 50 mL Zentrifuge Röhren.</li>
</ol>10. die Kultur von Bakterien
<ol><li>Holen Sie in der Biosicherheit Kabinett die Flüssigkeit vorbereitet im Schritt 6,4 und aliquoten es mit einer Pipette in die 10 Reagenzgläser im Schritt 9.2, mit jeder empfangen von 0,05 mL Tube vorbereitet.</li>
	<li>Inkubieren Sie die 10 Röhren in einem 37 ° C Inkubator für 120 h.</li>
</ol>11. die Ernte der BME Mineralien
<ol><li>Ultrasonicate jedes der 10 Rohre im Schritt 9.2 bei 20 KHz mit 150 W für 1 h.</li>
	<li>Zentrifugieren Sie Schläuche am 2.025 x g für 1 h.</li>
	<li>Die klare Flüssigkeit in den Rohren mit einer Pipette entfernen, Wasser hinzufügen und dann wiederholen Sie die Schritte 11.1 und 11.2 noch einmal.</li>
	<li>Die klare Flüssigkeit in den Rohren mit einer Pipette zu entfernen, fügen Sie Alkohol und dann ultrasonicate sie bei 20 KHz mit 150 W für 1 h.</li>
	<li>Zentrifugieren Sie Schläuche am 2.025 x g für 1 h.</li>
	<li>Wiederholen Sie die Schritte 11.4 und 11.5 noch einmal</li>
	<li>Ernte BME Mineralien durch die klare Flüssigkeit in den Rohren mit einer Pipette entfernen; danach sofort Kappe die Rohre ohne jede Trocknungsprozess.</li>
</ol>12. oszillierende Temperatur mit Pandoraea SP. und Molybdat
<ol><li>Kultur Pandoraea SP. auf die gleiche Weise wie in den Schritten 2, 3, 4, 5 und 6 für Shewanella Algen. Das Ergebnis dieses Schrittes entspricht derjenigen Schritt 6.4.</li>
	<li>LB-Bouillon mit Traubenzucker und Salz auf die gleiche Weise wie in den Schritten 7, 8 und 9, zu machen, außer dass die 16,5 g Natrium Wolframat in Schritt 7.1 mit 12 g Natrium Molybdat, Na2MoO4 · ersetzt wird 2H2O. Das Ergebnis dieses Schrittes entspricht derjenigen Schritt 9.2.</li>
	<li>In der Biosicherheit Kabinett Fetch bereitete die Flüssigkeit im Schritt 12.1 und aliquoten es mit einer Pipette in die 10 Röhren in 12.2, mit jedem Schritt vorbereitet empfangenden 0,05 mL tube.</li>
	<li>Inkubieren Sie 10 Röhren im Schritt 12.3 unter oszillierende Temperaturen für 120 h in ein gegenseitiges Bad, oszillierende mit jeder Temperatur 12 h lang die Temperatur zwischen 25 ° C und 37 ° C, 5 Mal schütteln.</li>
</ol>

<ol>
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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Bezüglich der selbst-Konsistenz der Versuchsergebnisse sind die Vorbereitung und die Vermehrung von monoklonalen Bakterien entscheidend. Dieses Experiment, anders als die Vorlage Synthese Experimente15,16, beschäftigt bioaktive Gram-negativen Bakterien. Um eine einzelne Wand zu erhalten, wählten wir prokaryotische Bakterien statt eukaryotischen Bakterien wie Hefe15. Um eine Kugelform mit einem Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von 1:1, statt ein größeres Verhältnis von Länge zu Durchmesser16zu erreichen, gefüttert, wir Bakterien mit einer viel höheren Konzentration von Oxyanions um in eine Kugelform schrumpfen manipulieren Mikrokapseln machen eine einzelne, Runde und dünne Wand (< 30 nm).
Da der BME stützt sich hauptsächlich auf Anpassung der Konzentration der Oxyanions, den Stoffwechsel der Bakterien zu kontrollieren, verfügt es über zwei Einschränkungen. Erstens ist die Konzentration der Oxyanions durch die Löslichkeit begrenzt, obwohl die Konzentration so hoch wie möglich sein sollte. Zweitens die meisten bakteriellen Stoffwechsel stoppt bei einer Temperatur über 45 ° C oder unter 5 ° C, bzw. der oberen und unteren Grenzen unseres Experiments.
Trotz dieser zwei Einschränkungen hat der BME großes Potenzial für die Herstellung von Metall-Oxid-Materialien von praktischem Interesse. Um diese Behauptung zu untermauern, werden wir versuchen, diese Methode um Zirkon Mikrokapseln und Eisen Mikrokapseln machen — das ehemalige sein ein guter Kandidat, Material für künstliche Knochen, und die letzteren für Drug-Delivery.

Metall-Oxid-Nanopartikel sind für Drug Delivery1, Bau künstlicher Knochen2, heterogene Katalyse3, Feldemission4,5, Solarzellen6, Gas-Sensoren7, ausgebeutet und Lithium Batterien8. Für praktische Anwendungen die mechanische Festigkeit von Nanokristallen und ihre Mikrostruktur sind entscheidend. Hohlen Schalenstrukturen ist unter die Mikrostrukturen lässt sich leicht, mechanisch robusten Materialien9erstellen. Unter hohlen Schalenstrukturen ist eine Kugelform bekannt, mehr als ein Ellipsoid Form steif sein; Letzteres hat eine größeren Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis als die ehemaligen10,11. Diese Arbeit beschreibt ein Protokoll für die Synthese von sphärischer Mikrokapseln über Bakterien mit eine ungiftige Methode unter einer ambient-Bedingung mit der alternative Methoden kontrastiert, einschließlich der Vorlage Synthese Methode12, Ultraschall-Spray-gestützte Synthese Methode13 und hydrothermale Verfahren14. Einige der alternativen Methoden erfordern Vorlagen12, einige einer Temperatur so hoch wie 500 ° C13, und einige ein hohen Druck14. Für die resultierende Struktur die Vorlage-Synthese-Methode unter Verwendung der Hefe-Vorlage bringt eine Kern-Schale-Struktur15, anstatt mit einer einzelnen Wand und derjenige unter Verwendung der E. Coli-Vorlage produziert eine Struktur mit Verhältnis von Länge zu Durchmesser von 1.7:0.8, und ist nicht kugelförmig. 16.
In dieser Arbeit haben wir Metall-Oxid-Mikrokapseln mit einer einzelnen Wand und der Kugelform unter eine Umgebungsbedingung gemacht, durch die Ausnutzung von bakteriellen Stoffwechsel. In bakterielle Glykolyse, ein chemischer Prozess, der Kohlenstoffquellen wie Glukose und Laktose verstoffwechselt Kohlenstoffquellen gelten die Herkunft des reduzierenden darin erzeugten Stroms. Wir manipuliert bakteriellen Stoffwechsel durch Anpassung der Konzentration von Kohlenstoffquellen gewünschte Ziele zu erreichen. Diese Methode ist umweltfreundlich, ungiftig Agenten und verbrauchen viel weniger Strom. Zu guter Letzt ermöglicht diese Methode die Massenproduktion von Mikrokapseln einfach durch Erhöhung des Volumens der Brühe.
Vor der Methode wurden ein weiteres zwei Methoden, die Verwendung von bakteriellen Stoffwechsel um Mineralien machen: biologisch induzierte Mineralisierung (BIM)17 und biologisch kontrollierten Mineralisierung (BCM)18. BIM weder BCM kann verwendet werden, für die Herstellung von Natrium Wolframat und Molybdat Wolframat Mikrokapseln wie unser Prozess, der als die bakterielle mineralischen Ausscheidung (BME)19bezeichnet wird. In diesem Experiment kann die Form von Mikrokapseln kontrolliert werden, um ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von 10:1 bis 1:1 haben, und die Größe der Nanopartikel Körner, bilden die Schalen ist einstellbar von 15 nm bis 110 nm.

<table><tbody><tr><td>LB(Lennox)broth with agar tablets</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>L7075</td><td>1 tablet for 50 mL broth with agar</td></tr><tr><td>LB (Lennox) broth</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>L3022-1KG</td><td>LB (Lennox) powder 1 kg</td></tr><tr><td>Dextrose anhydrous</td><td>Nihon Shiyaku Reagent</td><td>PL 78695</td><td>glucose</td></tr><tr><td>Sodium Tungstate</td><td>Nihon Shiyaku Reagent</td><td>PL 76050</td><td>Na&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;WO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt; &amp;middot; 2H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O</td></tr><tr><td>Sodium Molybdate</td><td>Nihon Shiyaku Reagent</td><td>PL103564</td><td>Na&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;MoO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt; &amp;middot; 2H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O</td></tr><tr><td>Sodium Chloride</td><td>Nihon Shiyaku Reagent</td><td>PL 68131</td><td>NaCl</td></tr><tr><td>Ethanol 99.5%</td><td>Acros organics</td><td>AC615090040</td><td>CH&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;CH&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;OH</td></tr><tr><td>Water</td><td>Made in our university</td><td></td><td>de-ionlized water</td></tr><tr><td>Autoclave</td><td>Tomin Medical Equipmenco, Ltd., Taipei City, Taiwan, ROC</td><td>TM-329</td><td>heat to 120 &amp;deg;C for 10 min</td></tr><tr><td>Centrifuge</td><td>Digit System Laboratory System, New Taipei City, Taiwan, ROC</td><td>DSC302SD</td><td>centrifuge at 2025 x g</td></tr><tr><td>-80 &amp;deg;C Refrigerator</td><td>Panasonic</td><td>MDF-U3386S</td><td>Use to deep-freeze cryopreserve strain</td></tr><tr><td>Ultrasonic Homogenizer Sonicator Processor Cell Disruptor</td><td>Lenox</td><td>UPS-150</td><td>frequency 20 KHz power 150 W</td></tr><tr><td>Incubator</td><td>Customer made</td><td>custom made</td><td>heat to 40 &amp;deg;C or cool to 18 &amp;deg;C with time cotrol</td></tr><tr><td>Reciprocal shaking baths</td><td>Kingtech Scientific Co., Ltd</td><td>WBS-L</td><td></td></tr><tr><td>Digital Stirring Hot Plate</td><td>Corning</td><td>#6797-620D</td><td>use with PTFE magnetic stirring bar</td></tr><tr><td>Biosafety cabinet</td><td>Zong Yen co., LTD</td><td>ZYBH-420</td><td>All bacteria related process are done here</td></tr><tr><td>Scanning electron microscope</td><td>JEOL</td><td>JSM-6500F</td><td>SEM Images</td></tr><tr><td>50 mL centrifudge tube</td><td>Falcon</td><td>14-432-22</td><td></td></tr><tr><td>15 mL centrifudge tube</td><td>Falcon</td><td>14-959-53A</td><td></td></tr><tr><td>Laboratory bottle 100 mL</td><td>Duran</td><td>21 801 24 5</td><td></td></tr><tr><td>Laboratory bottle 500 mL</td><td>Duran</td><td>21 801 44 5</td><td></td></tr><tr><td>Stainless steel spatula</td><td>Chemglass</td><td>CG-1981-10</td><td></td></tr><tr><td>PTFE Disposable Stir Bars</td><td>Fisher</td><td>S68066</td><td></td></tr><tr><td>Plastic Petri Dishes</td><td>Fisher</td><td>S33580A</td><td></td></tr><tr><td>Shewanella algae</td><td>Courtesy of author #3</td><td>Courtesy of author #3</td><td></td></tr><tr><td>Pandoraea sp.</td><td>Courtesy of author #3</td><td>Courtesy of author #3</td><td></td></tr></tbody></table>

synthesizing sodium tungstate and sodium molybdate microcapsules via bacterial mineral excretion

Präsentieren wir Ihnen eine Methode, die bakterielle mineralischen Ausscheidung (BME), zur Synthese von zwei Arten von Mikrokapseln, Natrium Wolframat und Natrium Molybdat und zwei Metalloxide entsprechende Nanopartikel – das ehemalige sein so klein wie 22 nm und die letzteren 15 nm. Wir fütterten zwei Bakterienstämme, Shewanella Algen und Pandoraea SP., mit verschiedenen Konzentrationen von Wolframat oder Molybdat-Ionen. Die Konzentrationen von Wolframat und Molybdat wurden angepasst, um Mikrokapseln von unterschiedlicher Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis machen. Wir fanden, dass je höheren den Konzentration, desto kleiner wurden die Nanopartikel. Die Nanopartikel kam mit drei Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis: 10:1, 3:1 und 1:1, die durch die Fütterung der Bakterien bzw. mit einer niedrigen Konzentration, eine mittlere Konzentration und eine hohe Konzentration erreicht wurden. Die Bilder der hohlen Mikrokapseln wurden per scanning Electron Mikrosphären (SEM). Ihre Kristallstrukturen wurden verifiziert durch Röntgendiffraktometrie (XRD) — die Kristallstruktur von Molybdat Mikrokapseln ist Na2MoO4 und das Wolframat Mikrokapseln sind Na2WO4 mit Na2W2O7. Alle diese Synthesen wurden unter einer in der Nähe von Umgebungsbedingungen durchgeführt.

Abbildung 1 zeigt echte sphärische Mikrokapseln. Sowohl die beiden Stämme des Bakteriums Shewanella Algen und Pandoraea sp., ursprünglich haben eine Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von 3:1. Für die Erreichung der Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von 1:1, eine hohe Konzentration (> 100 mM) Metall Oxyanions erforderlich ist. Eine niedrige Konzentration (< 5 mM) des Oxyanions führt in einer Länge, Durchmesser-Verhältnis von 10:1, als, dass in Abbildung 2, die vor dem Zustrom von Oxyanions, blockieren die binäre Spaltung von Bakterien führen kann. Zu guter Letzt wird zur Erreichung einer Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von 3:1, wie die in Abbildung 3, eine mittlere Konzentration (~ 20 mM) von Oxyanions benötigt. Die Bildung von Kugelschalen, mit einem Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von 1:1, kann durch bakterielle Antriebe herbeigeführt werden, aus denen sich ihre Fläche um die Einnahme von Oxyanions zu balancieren, während Oxyanions durch die Zellmembran diffundieren zu schrumpfen. Die drei Zahlen zeigen zusammen, dass die Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von 10:1 bis 1:1 abgestimmt werden kann einfach durch Anpassung der Konzentration der Oxyanions.
Abbildung 4 und Abbildung 5 zeigen die Nanopartikel Körner Natrium Molybdat in verschiedenen Größen: kleiner als 15 nm und die größeren ein 110 nm. Beachten Sie, dass in Abbildung 5, auf die nicht-shattered Schalen, Partikel von 110 nm kann verkettet werden miteinander, poröse Schalen bilden. Größeren wurde durch die Temperatur der Kultivierung Brühe 5 Mal zwischen 25 ° C und 37 ° C, bei jeder Temperatur 12 h lang oszillierende gewonnen. Während die Temperatur-Oszillation, Körner in verschiedenen Größen können nicht nur produziert, sondern auch pflegen die Mikro-kugelförmige Struktur, das heißt, wir machen Mikrokapseln mit verschiedenen Korngrößen von 15 nm bis 110 nm, nur durch die Brühe Temperaturregelung .
Abbildung 6 zeigt die gebrochene Wand mit größeren Körnern bleiben neben der Öffnung der Mauer. Die Wandstärke beträgt etwa 22 nm und das größere Korn ist etwa 40-60 nm. Der Unterschied in der Größe kann aus verschiedenen metabolischen Prozessen führen, die noch nicht identifiziert sind.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57022/57022fig1.jpg"> Abbildung 1: der REM-Aufnahme der hohle Kugelschalen mit einem Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von 1:1. Diese Struktur wurde Natrium-Wolframat durch Shewanella Algen mit Glukose als die Kohlenstoffquelle ausgeschieden. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von ECS J. Solid State Sci und techn., 6 Abs. 3, N3113 (2017). Copyright 2017, die elektrochemische Gesellschaft. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57022/57022fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57022/57022fig2.jpg"> Abbildung 2: der REM-Aufnahme der hohlen lange Filament Schalen mit einem Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von 10:1. Diese Struktur wurde Natrium Molybdat durch Pandoraea SP. mit Glukose als die Kohlenstoffquelle ausgeschieden. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von ECS J. Solid State Sci und techn., 6 Abs. 3, N3113 (2017). Copyright 2017, die elektrochemische Gesellschaft. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57022/57022fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57022/57022fig3.jpg"> Abbildung 3: der REM-Aufnahme der kaputte hohlen stabförmigen Muscheln mit einem Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von 3:1. Diese Struktur wurde Natrium-Wolframat durch Shewanella Algen mit Glukose als die Kohlenstoffquelle ausgeschieden. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von ECS J. Solid State Sci und techn., 6 Abs. 3, N3113 (2017). Copyright 2017, die elektrochemische Gesellschaft. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57022/57022fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57022/57022fig4.jpg"> Abbildung 4: der REM-Aufnahme von zerschmetterten Natrium Molybdat Muscheln mit einer Korngröße der Partikel von 15 nm. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57022/57022fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57022/57022fig5.jpg"> Abbildung 5: The SEM Bild des zerstörten und nicht zerschlagen Natrium Molybdat Schalen mit einer Korngröße der Partikel von 110 nm. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57022/57022fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57022/57022fig6.jpg"> Abbildung 6: der REM-Aufnahme der kaputte hohle Muscheln mit einem Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von 1:1. Diese Struktur wurde Natrium-Wolframat durch Shewanella Algen mit Glukose als die Kohlenstoffquelle ausgeschieden. Granulat mit einer Größe über 40-60 nm hängen außerhalb der Schale direkt neben an ein großes Loch, während die Shell selbst besteht aus Granulat mit einer Größe von ca. 22 nm. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von ECS J. Solid State Sci und techn., 6 Abs. 3, N3113 (2017). Copyright 2017, die elektrochemische Gesellschaft. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57022/57022fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>

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Synthesizing Sodium Tungstate and Sodium Molybdate Microcapsules via Bacterial Mineral Excretion

Dieses Werk stellt ein Protokoll zur Herstellung Natrium Wolframat und Natrium-Molybdat-Mikrokapseln über Bakterien und ihre entsprechenden Nanopartikel.

Synthese von Natrium-Wolframat und Natrium Molybdat Mikrokapseln über bakterielle mineralischen Ausscheidung

We present a method, the bacterial mineral excretion (BME), for synthesizing two kinds of microcapsules, sodium tungstate and sodium molybdate, and the ...

synthesizing-sodium-tungstate-sodium-molybdate-microcapsules-via

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Chemistry

8.5K Aufrufe.  National Taiwan University of Science and Technology. Dieses Werk stellt ein Protokoll zur Herstellung Natrium Wolframat und Natrium-Molybdat-Mikrokapseln über Bakterien und ihre entsprechenden Nanopartikel.

Serie: Synthesizing Sodium Tungstate and Sodium Molybdate Microcapsules via Bacterial Mineral Excretion

Reverse Microemulsion-mediated Synthesis of Monometallic and Bimetallic Early Transition Metal Carbide and Nitride Nanoparticles

A reverse microemulsion is used to encapsulate monometallic or bimetallic early transition metal oxide nanoparticles in microporous silica shells. The silica-encapsulated metal oxide nanoparticles are then carburized in a methane/hydrogen atmosphere at temperatures over 800 &#176;C to form silica-encapsulated early transition metal carbide nanoparticles. During the carburization process, the silica shells prevent the sintering of adjacent carbide nanoparticles while also preventing the deposition of excess surface carbon. Alternatively, the silica-encapsulated metal oxide nanoparticles can be nitridized in an ammonia atmosphere at temperatures over 800 &#176;C to form silica-encapsulated early transition metal nitride nanoparticles. By adjusting the reverse microemulsion parameters, the thickness of the silica shells, and the carburization/nitridation conditions, the transition metal carbide or nitride nanoparticles can be tuned to various sizes, compositions, and crystal phases. After carburization or nitridation, the silica shells are then removed using either a room-temperature aqueous ammonium bifluoride solution or a 0.1 to 0.5 M NaOH solution at 40-60 &#176;C. While the silica shells are dissolving, a high surface area support, such as carbon black, can be added to these solutions to obtain supported early transition metal carbide or nitride nanoparticles. If no high surface area support is added, then the nanoparticles can be stored as a nanodispersion or centrifuged to obtain a nanopowder.

A &#8220;removable ceramic coating method&#8221; is presented in visual format for the synthesis of non-sintered and metal-terminated monometallic and bimetallic early transition metal carbide and nitride nanoparticles with tunable sizes and crystal structures.

Umkehrmikroemulsion-vermittelte Synthese von Monometallische und Bimetall frühes Übergangsmetall Carbide und Nitride Nanopartikel

A reverse microemulsion is used to encapsulate monometallic or bimetallic early transition metal oxide nanoparticles in microporous silica shells. The ...

Forschung

Chemie

Synthesis and Reaction Chemistry of Nanosize Monosodium Titanate

This paper describes the synthesis and peroxide-modification of nanosize monosodium titanate (nMST), along with an ion-exchange reaction to load the material with Au(III) ions. The synthesis method was derived from a sol-gel process used to produce micron-sized monosodium titanate (MST), with several key modifications, including altering reagent concentrations, omitting a particle seed step, and introducing a non-ionic surfactant to facilitate control of particle formation and growth. The resultant nMST material exhibits spherical-shaped particle morphology with a monodisperse distribution of particle diameters in the range from 100 to 150&#160;nm. The nMST material was found to have a Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area of 285 m2g-1, which is more than an order of magnitude higher than the micron-sized MST. The isoelectric point of the nMST measured 3.34 pH units, which is a pH unit lower than that measured for the micron-size MST. The nMST material was found to serve as an effective ion exchanger under weakly acidic conditions for the preparation of an Au(III)-exchange nanotitanate. In addition, the formation of the corresponding peroxotitanate was demonstrated by reaction of the nMST with hydrogen peroxide.

The surfactant mediated sol-gel synthesis of nanosized monosodium titanate is described, along with preparation of the corresponding peroxide modified material. An ion-exchange reaction with Au(III) is also presented.

Synthese und Reaktionschemie von nanoskaligen Mononatrium Titanat

This paper describes the synthesis and peroxide-modification of nanosize monosodium titanate (nMST), along with an ion-exchange reaction to load the ...

Synthesis of Ligand-free CdS Nanoparticles within a Sulfur Copolymer Matrix

Aliphatic ligands are typically used during the synthesis of nanoparticles to help mediate their growth in addition to operating as high-temperature solvents. These coordinating ligands help solubilize and stabilize the nanoparticles while in solution, and can influence the resulting size and reactivity of the nanoparticles during their formation. Despite the ubiquity of using ligands during synthesis, the presence of aliphatic ligands on the nanoparticle surface can result in a number of problems during the end use of the nanoparticles, necessitating further ligand stripping or ligand exchange procedures. We have developed a way to synthesize cadmium sulfide (CdS) nanoparticles using a unique sulfur copolymer. This sulfur copolymer is primarily composed of elemental sulfur, which is a cheap and abundant material. The sulfur copolymer has the advantages of operating both as a high temperature solvent and as a sulfur source, which can react with a cadmium precursor during nanoparticle synthesis, resulting in the generation of ligand free CdS. During the reaction, only some of the copolymer is consumed to produce CdS, while the rest remains in the polymeric state, thereby producing a nanocomposite material. Once the reaction is finished, the copolymer stabilizes the nanoparticles within a solid polymeric matrix. The copolymer can then be removed before the nanoparticles are used, which produces nanoparticles that do not have organic coordinating ligands. This nascent synthesis technique presents a method to produce metal-sulfide nanoparticles for a wide variety of applications where the presence of organic ligands is not desired.

Herein we present a method to synthesize ligand-free cadmium sulfide (CdS) nanoparticles based on a unique sulfur copolymer. The sulfur copolymer operates as a high temperature solvent and a sulfur source during the nanoparticle synthesis and stabilizes the nanoparticles after the reaction.

Synthese von Ligand freien CdS-Nanopartikel innerhalb eines Schwefel-Copolymer-Matrix

Aliphatic ligands are typically used during the synthesis of nanoparticles to help mediate their growth in addition to operating as high-temperature ...

Nanosponge Tunability in Size and Crosslinking Density

We describe a protocol for the synthesis of linear polyesters containing pendant epoxide functionality and their incorporation into a nanosponge with controlled dimensions. This approach begins with synthesis of a functionalized lactone which is key to the pendant functionalization of the resulting polymer. Valerolactone (VL) and allyl-valerolactone (AVL) are then copolymerized using ring-opening polymerization. Post-polymerization modification is then used to install an epoxide moiety on some or all of the pendant allyl groups. Epoxy-amine chemistry is employed to form nanoparticles in a dilute solution of both polymer and small molecule diamine crosslinker based on the desired nanosponge size and crosslinking density. Nanosponge sizes can be characterized by transmission electron microscopy (TEM) imaging to determine the dimension and distribution. This method provides a pathway by which highly tunable polyesters can create tunable nanoparticles, which can be used for small molecule drug encapsulation. Due to the nature of the backbone, these particles are hydrolytically and enzymatically degradable for a controlled release of a wide range of hydrophobic small molecules.

This article describes a process for tuning the size and crosslinking density of covalently crosslinked nanoparticles from linear polyesters containing pendant functionality. By tailoring synthesis parameters (polymer molecular weight, pendant functionality incorporation, and crosslinker equivalents), a desired nanoparticle size and crosslinking density can be achieved for drug delivery applications.

Nanosponge Einstellbarkeit in Größe und Dichte Vernetzung

We describe a protocol for the synthesis of linear polyesters containing pendant epoxide functionality and their incorporation into a nanosponge with ...

Analysis of Minerals Produced by hFOB 1.19 and Saos-2 Cells Using Transmission Electron Microscopy with Energy Dispersive X-ray Microanalysis

This video presents the use of transmission electron microscopy with energy dispersive X-ray microanalysis (TEM-EDX) to compare the state of minerals in vesicles released by two human bone cell lines: hFOB 1.19 and Saos-2. These cell lines, after treatment with ascorbic acid (AA) and &#946;-glycerophosphate (&#946;-GP), undergo complete osteogenic transdifferentiation from proliferation to mineralization and produce matrix vesicles (MVs) that trigger apatite nucleation in the extracellular matrix (ECM).
Based on Alizarin Red-S (AR-S) staining and analysis of the composition of minerals in cell lysates using ultraviolet (UV) light or in vesicles using TEM imaging followed by EDX quantitation and ion mapping, we can infer that osteosarcoma Saos-2 and osteoblastic hFOB 1.19 cells reveal distinct mineralization profiles. Saos-2 cells mineralize more efficiently than hFOB 1.19 cells and produce larger mineral deposits that are not visible under UV light but are similar to hydroxyapatite (HA) in that they have more Ca and F substitutions.
The results obtained using these techniques allow us to conclude that the process of mineralization differs depending on the cell type. We propose that, at the cellular level, the origin and properties of vesicles predetermine the type of minerals.

We present a protocol to compare the state of minerals in vesicles released by two human bone cell lines: hFOB 1.19 and Saos-2. Their mineralization profiles were analyzed by Alizarin Red-S (AR-S) staining, ultraviolet (UV) light visualization, transmission electron microscopy (TEM) imaging and energy dispersive X-ray microanalysis (EDX).

Analyse der Mineralien von hFOB 1.19 produziert und Saos-2 Zellen mittels Transmissions-Elektronenmikroskopie mit Energy Dispersive x-ray Mikroanalyse

This video presents the use of transmission electron microscopy with energy dispersive X-ray microanalysis (TEM-EDX) to compare the state of minerals in ...

Molten-Salt Synthesis of Complex Metal Oxide Nanoparticles

The development of feasible synthesis methods is critical for the successful exploration of novel properties and potential applications of nanomaterials. Here, we introduce the molten-salt synthesis (MSS) method for making metal oxide nanomaterials. Advantages over other methods include its simplicity, greenness, reliability, scalability, and generalizability. Using pyrochlore lanthanum hafnium oxide (La2Hf2O7) as a representative, we describe the MSS protocol for the successful synthesis of complex metal oxide nanoparticles (NPs). Furthermore, this method has the unique ability to produce NPs with different material features by changing various synthesis parameters such as pH, temperature, duration, and post-annealing. By fine-tuning these parameters, we are able to synthesize highly uniform, non-agglomerated, and highly crystalline NPs. As a specific example, we vary the particle size of the La2Hf2O7&#160;NPs by changing the concentration of the ammonium hydroxide solution used in the MSS process, which allows us to further explore the effect of particle size on various properties. It is expected that the MSS method will become a more popular synthesis method for nanomaterials and more widely employed in the nanoscience and nanotechnology community in the upcoming years.

Here, we demonstrate a unique, relatively low-temperature, molten-salt synthesis method for preparing uniform complex metal oxide lanthanum hafnate nanoparticles.

Salzschmelze Synthese von komplexen Metall-Oxid-Nanopartikel

The development of feasible synthesis methods is critical for the successful exploration of novel properties and potential applications of nanomaterials. ...

Extraction of Plant-based Capsules for Microencapsulation Applications

Microcapsules derived from plant-based spores or pollen provide a robust platform for a diverse range of microencapsulation applications. Sporopollenin exine capsules (SECs) are obtained when spores or pollen are processed so as to remove the internal sporoplasmic contents. The resulting hollow microcapsules exhibit a high degree of micromeritic uniformity and retain intricate microstructural features related to the particular plant species. Herein, we demonstrate a streamlined process for the production of SECs from Lycopodium clavatum spores and for the loading of hydrophilic compounds into these SECs. The current SEC isolation procedure has been recently optimized to significantly reduce the processing requirements which are conventionally used in SEC isolation, and to ensure the production of intact microcapsules. Natural L. clavatum spores are defatted with acetone, treated with phosphoric acid, and extensively washed to remove sporoplasmic contents. After acetone defatting, a single processing step using 85% phosphoric acid has been shown to remove all sporoplasmic contents. By limiting the acid processing time to 30 hr, it is possible to isolate clean SECs and avoid SEC fracturing, which has been shown to occur with prolonged processing time. Extensive washing with water, dilute acids, dilute bases, and solvents ensures that all sporoplasmic material and chemical residues are adequately removed. The vacuum loading technique is utilized to load a model protein (Bovine Serum Albumin) as a representative hydrophilic compound. Vacuum loading provides a simple technique to load various compounds without the need for harsh solvents or undesirable chemicals which are often required in other microencapsulation protocols. Based on these isolation and loading protocols, SECs provide a promising material for use in a diverse range of microencapsulation applications, such as, therapeutics, foods, cosmetics, and personal care products.

This protocol/manuscript describes a streamlined process for the production of sporopollenin exine capsules (SECs) from Lycopodium clavatum spores and for the loading of hydrophilic compounds into these SECs.

Extraktion von Pflanzenbasis Kapseln für Mikroverkapselung Anwendungen

Microcapsules derived from plant-based spores or pollen provide a robust platform for a diverse range of microencapsulation applications. Sporopollenin ...

Biotechnik

Triplet Fusion Upconversion Nanocapsule Synthesis

Triplet fusion upconversion (UC) allows for the generation of one high energy photon from two low energy input photons. This well-studied process has significant implications for producing high energy light beyond a material's surface. However, the deployment of UC materials has been stymied due to poor material solubility, high concentration requirements, and oxygen sensitivity, ultimately resulting in reduced light output. Toward this end, nanoencapsulation has been a popular motif to circumvent these challenges, but durability has remained elusive in organic solvents. Recently, a nanoencapsulation technique was engineered to tackle each of these challenges, whereupon an oleic acid nanodroplet containing upconversion materials was encapsulated with a silica shell. Ultimately, these nanocapsules (NCs) were durable enough to enable triplet fusion upconversion-facilitated volumetric three-dimensional (3D) printing. By encapsulating upconversion materials with silica and dispersing them in a 3D printing resin, photopatterning beyond the surface of the printing vat was made possible. Here, video protocols for the synthesis of upconversion NCs are presented for both small-scale and large-scale batches. The outlined protocols serve as a starting point for adapting this encapsulation scheme to multiple upconversion schemes for use in volumetric 3D printing applications.

This protocol details the synthesis of upconversion nanocapsules for subsequent use in photopolymerizable resins for triplet fusion upconversion-facilitated volumetric 3D printing.

Triplett-Fusions-Hochkonversions-Nanokapsel-Synthese

Triplet fusion upconversion (UC) allows for the generation of one high energy photon from two low energy input photons. This well-studied process has ...

Ingenieurwesen

Synthesis of Black Seed Oil-loaded-, Alginate-based, pH-sensitive Beads Using Electrospraying Technique

Black seed oil (BSO), derived from the seeds of the Nigella sativa plant, has garnered attention for its potential anti-cancer properties, particularly in the context of colon cancer. Its active compound, thymoquinone, may help inhibit cancer cell growth and induce apoptosis in colon cancer cells. Additionally, black seed oil's anti-inflammatory and antioxidant effects could contribute to a healthier gut environment, potentially reducing cancer risk. Therefore, this study synthesized pH-sensitive alginate beads to deliver BSO into the colon in a controlled-release manner without releasing the drug at pH 1.2 (stomach), thus providing a well-defined release pattern at pH 6.8. The use of electrospray technology improves process performance by making it easier to formulate small, homogeneous beads with a higher rate of swelling and diffusion in the gastrointestinal medium. 
The formulated beads were characterized by an ex-vivo mucoadhesive strength test, bead size, sphericity factor (SF), encapsulation efficiency (EE), scanning electron microscope (SEM), in vitro swelling behavior (SB), and in vitro drug release in acidic and buffer media. All these manufactured beads demonstrated modest sizes of 0.58 &plusmn; 0.01 mm and spherical shape of 0.03 &plusmn; 0.00 mm in this testing. The formulation showed promising floating and releasing properties in vitro. With a very low cumulative percentage of beads, the oil EE of 90.13% &plusmn; 0.93% was high, and the release study demonstrated more than 90% in pH 6.8 with good floating nature in the stomach. Additionally, the beads were evenly spaced throughout the intestine. The electrospraying approach used in this protocol can be reproducible, yielding consistent outcomes. Therefore, this protocol can be used for large-scale production for commercialization purposes.

A technique employing high electric voltage and a targeted, active ingredient-loaded emulsion to fabricate pH-responsive, uniform microbeads is presented.

Black seed oil (BSO), derived from the seeds of the Nigella sativa plant, has garnered attention for its potential anti-cancer properties, particularly in ...

Manganese Oxide Nanoparticle Synthesis by Thermal Decomposition of Manganese(II) Acetylacetonate

For biomedical applications, metal oxide nanoparticles such as iron oxide and manganese oxide (MnO), have been used as biosensors and contrast agents in magnetic resonance imaging (MRI). While iron oxide nanoparticles provide constant negative contrast on MRI over typical experimental timeframes, MnO generates switchable positive contrast on MRI through dissolution of MnO to Mn2+ at low pH within cell endosomes to &#8216;turn ON&#8217; MRI contrast. This protocol describes a one-pot synthesis of MnO nanoparticles formed by thermal decomposition of manganese(II) acetylacetonate in oleylamine and dibenzyl ether. Although running the synthesis of MnO nanoparticles is simple, the initial experimental setup can be difficult to reproduce if detailed instructions are not provided. Thus, the glassware and tubing assembly is first thoroughly described to allow other investigators to easily reproduce the setup. The synthesis method incorporates a temperature controller to achieve automated and precise manipulation of the desired temperature profile, which will impact resulting nanoparticle size and chemistry. The thermal decomposition protocol can be readily adapted to generate other metal oxide nanoparticles (e.g., iron oxide) and to include alternative organic solvents and stabilizers (e.g., oleic acid). In addition, the ratio of organic solvent to stabilizer can be changed to further impact nanoparticle properties, which is shown herein. Synthesized MnO nanoparticles are characterized for morphology, size, bulk composition, and surface composition through transmission electron microscopy, X-ray diffraction, and Fourier-transform infrared spectroscopy, respectively. The MnO nanoparticles synthesized by this method will be hydrophobic and must be further manipulated through ligand exchange, polymeric encapsulation, or lipid capping to incorporate hydrophilic groups for interaction with biological fluids and tissues.

Manganese Oxide Nanoparticle Synthesis by Thermal Decomposition of ManganeseII Acetylacetonate

This protocol details a facile, one-pot synthesis of manganese oxide (MnO) nanoparticles by thermal decomposition of manganese(II) acetylacetonate in the presence of oleylamine and dibenzyl ether. MnO nanoparticles have been utilized in diverse applications including magnetic resonance imaging, biosensing, catalysis, batteries, and waste water treatment.

Manganoxid-Nanopartikelsynthese durch thermische Zersetzung von Mangan(II) Acetylacetonat

For biomedical applications, metal oxide nanoparticles such as iron oxide and manganese oxide (MnO), have been used as biosensors and contrast agents in ...