Dialyse-afgeleide Kikkervis- en Bolvormige Hemin-nanodeeltjes: 308-voudige Oplosbaarheidsverhoging voor IJzerbiobeschikbaarheid

Samenvatting

Hemin, een uiterst biobeschikbare ijzerbron, wordt beperkt door zijn verwaarloosbare wateroplosbaarheid. We rapporteren een eenvoudige dialysebenadering die twee verschillende hemin-nanodeeltjesmorfologieën oplevert: kikkervisvormig (≈200 nm kop, 100 nm staart) en bolvormig (50–100 nm). Beide vormen vertonen een dramatisch verbeterde oplosbaarheid, waarbij bolvormige deeltjes een 308-voudige toename bereiken bij 25 °C vergeleken met vrij hemin. De nanodeeltjes blijven stabiel over zuur pH, hoge temperatuur en ionische sterkte, en vertonen een sterke nabij-infraroodabsorptie, wat ze veelbelovende kandidaten maakt voor voedselverrijking, biomedische afgifte en fotothermale therapieën.

Inleiding

Ijzertekort treedt bij bijna 20 % van de wereldbevolking op, wat leidt tot anemie en een verminderde levenskwaliteit. Terwijl niet-heemijzer uit plantaardige bronnen gemakkelijk beschikbaar is, is de absorptie ervan vaak suboptimaal. Hemin – afgeleid van hemoglobine en myoglobine – biedt een superieure absorptie (50–87 %) maar lijdt aan hydrofobiciteit en slechte oplosbaarheid, wat de praktische toepassing belemmert. Conventionele strategieën zoals proteïnecomplexatie, co-kristallisatie met arginine en cyclodextrine-inclusie hebben de oplosbaarheid verbeterd, maar omvatten complexe procedures die de schaalbaarheid beperken.

Nanotechnologie biedt een overtuigende route om de fysicochemische eigenschappen van hydrofobe bioactieve stoffen te verbeteren zonder sensorische attributen te wijzigen. Nanodeeltjes kunnen de schijnbare oplosbaarheid verhogen, de biobeschikbaarheid verbeteren en gerichte afgifte mogelijk maken. Hier ontwikkelen we een eenvoudige dialysemethode om hemisch verschillende nanodeeltjes te produceren, evalueren hun morfologie, fysicochemische stabiliteit en oplosbaarheid, en benadrukken hun potentiële toepassingen.

Materialen en Methodes

Materialen

Hemin en dialysemembranen van 8–12 kDa werden verkregen van Beijing Solarbio. Aceton (≥ 99,5 %) werd verkregen van Kant Chemical. Alle overige reagentia waren van analytische graad.

Bereiding van Hemin-nanodeeltjes

Hemin (0,1 of 0,5 mg mL⁻¹) werd opgelost in geacidificeerd aceton met 0,1 mL HCl. De oplossing werd gedialyseerd tegen gedemineraliseerd water, met dagelijkse waterverversing, totdat vriesdrogen nanodeeltjes opleverde. Variërende parameters omvatten hemin/water-verhoudingen (1:3, 1:5, 1:10, 1:50), temperatuur (4 °C of 25 °C) en dialyseduur (1–5 dagen).

Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM)

Beelden werden vastgelegd op een Hitachi 7700 TEM bij 80 kV. Monsters werden op koolstofbeklede roosters gedroogd en vriedroogd.

Dynamische Lichtverstrooiing (DLS)

Grootte, ζ-potentieel en PDI werden gemeten met een Malvern Zetasizer Nano (0,05 % verdunning in MilliQ water, 25 °C).

UV-Vis Spectroscopie

Absorptiespectra (200–800 nm) werden opgenomen op een TU-1810 spectrofotometer. Concentraties werden bepaald bij 640 nm.

Oplosbaarheidstoets

Verzadigde oplossingen van vrij hemin en nanodeeltjes werden geroerd bij 25, 37, 60 en 80 °C (500 rpm, 30 min). Supernatanten werden gecentrecugeerd, verdund en geanalyseerd via UV-Vis.

Stabiliteitstoetsen

Nanodeeltjessuspensies (0,5 mg mL⁻¹) werden blootgesteld aan pH 2–11, temperaturen 25–80 °C en NaCl (0–500 mM). Grootte, ζ-potentieel, PDI en troebelheid werden overnachts bij 25 °C gemonitord.

FTIR, Fluorescentie en XRD

FTIR-spectra (400–4000 cm⁻¹) werden verzameld met een Jasco Tensor 27. Fluorescentie (excitatie 402 nm, emissie 300–600 nm) werd gemeten op een Hitachi F-7000. XRD-patronen (2θ 4–40°) werden verkregen met een Bruker AXS D8 ADVANCE.

Resultaten en Discussie

Formatie en Morfologie

Bij 0,5 mg mL⁻¹ hemin ontstonden bolvormige nanodeeltjes (50–100 nm) bij een hemin/water-verhouding van 1:10 na 3 dagen dialyse. Hogere verhoudingen (1:50) produceerden staagvormige aggregaten. In tegenstelling leverde 0,1 mg mL⁻¹ hemin kikkervisvormige deeltjes (≈200 nm kop, 100 nm staart) onder identieke omstandigheden. TEM bevestigde monodisperse structuren; DLS toonde hydrodynamische diameters van 218 ± 6 nm (ballen) en 300 ± 8 nm (kikkervissen). ζ-potentialen waren -21 mV (ballen) en -11 mV (kikkervissen), wat een goede colloïdale stabiliteit aangeeft. PDI-waarden (0,35–0,40) weerspiegelden smalle grootteverdelingen.

Optische Eigenschappen

UV-Vis-spectra toonden een verschuiving van de Soret-band van 344 nm (vrij hemin) naar 265 nm (nanodeeltjes), wat een versterkte π-π-conjugatie aangeeft. Beide nanodeeltjesvormen vertoonden een sterke nabij-infraroodabsorptie (≈660–770 nm), voordelig voor fotothermale en fotoacoustische toepassingen. Fluorescentie-emissie piekte bij 500 nm, hoger dan vrij hemin, waarschijnlijk door de verhoogde oplosbaarheid.

Oplosbaarheidsverhoging

De oplosbaarheid van vrij hemin bij 25 °C was 0,009 mg mL⁻¹. Bolvormige nanodeeltjes bereikten 1,33 mg mL⁻¹, een 308-voudige toename. Kikkervisvormige deeltjes losten op tot 1,00 mg mL⁻¹. De oplosbaarheid steeg met de temperatuur voor alle monsters, wat thermisch geactiveerde oplossing bevestigt.

Structurele Bevestiging

FTIR-spectra toonden verbrede N-H/O-H-banden (3470 cm⁻¹) in nanodeeltjes, wat sterkere waterstofbrugbindingen aangeeft. XRD-patronen van ballen behielden de kristallijne pieken van vrij hemin, terwijl kikkervissen een verminderde kristallijnheid vertoonden (35,7 % vs. 56,7 % voor vrij hemin), wat partiële amorfisering suggereert.

Stabiliteit

Nanodeeltjes bleven stabiel onder zuur pH (≤ 7) met minimale grootte- en PDI-veranderingen. Bij alkalisch pH (≥ 9) nam aggregatie toe (> 400 nm). Thermische blootstelling tot 80 °C veroorzaakte lichte groottegroei maar behield de colloïdale integriteit. Hoge ionische sterkte (≥ 250 mM NaCl) leidde tot dispersiedestabilisatie.

Conclusies

We hebben met succes kikkervis- en bolvormige hemin-nanodeeltjes ontworpen via een eenvoudige dialysemethode, met een 308-voudige oplosbaarheidsverhoging bij 25 °C. De deeltjes tonen een uitstekende zuur- en thermische stabiliteit en sterke nabij-infraroodabsorptie, wat ze positioneert als veelzijdige platforms voor ijzerverrijking, medicijnafgifte en fotothermale therapieën. Toekomstig onderzoek zal zich richten op het laden van therapeutica en het optimaliseren van optothermale reacties.