Изучение геометрических и механических свойств наночастиц разной природы с помощью атомно-силовой микроскопии в режиме PeakForce QNM

Abstract

Цель исследования: с помощью атомно-силовой микроскопии, используя режим картирования свойств поверхности с наноразмерным разрешением, установить различие численных значений параметров, характеризующих геометрические и механические (адгезионные) свойства неорганических наноразмерных частиц и наноразмерных частиц биологического происхождения. Материалы и методы. В качестве бионаночастиц использовали экзосомы, выделенные из крови мыши линии Af методом последовательного ультрацентрифугирования. В качестве неорганических наноча-стиц использовали наночастицы серебра. Наночастицы сканировали на воздухе с помощью атомно-силового микроскопа BioScope Resolve (Bruker) в режиме записи PeakForсe QNM in Air с записью карт сил адгезии и топографии изучаемых поверхностей. Результаты. Наночастицы серебра и экзосомы имели близкие, но статистически различающиеся диаметры (45,59 ± 1,04 нм и 41,25 ± 0,91 нм, р < 0,001 t-критерий). Тем не менее наночастицы серебра характеризовались большими значениями как высоты, так и площади свободной поверхности в сравнении с соответствующими значениями параметров экзосом. Это приводит к более высокому значению степени распластанности для экзосом (усредненное отношение диаметра к высоте (d/h) равнялось 11,78 для экзосом и 6,67 – для наночастиц (р < 0,001, Манн-Уитни критерий), что обусловлено большими в сравнении с нано-частицами серебра адгезионными свойствами мембран экзосом и более низким значением отношения объема частицы к ее площади поверхности. Усредненные по наномасштабным участкам поверхности наночастиц силы адгезии были выше 3,2 ± 0,57 нН для экзосом в сравнении с наночастицами серебра – 2,2 ± 0,03 нН (р < 0,05, Манн-Уитни критерий). Заключение. Выявлены различия параметров геометрических (диаметр, высота, площадь свободной поверхности) и механических свойств (силы адгезии) наночастиц серебра и экзосом, позволяющие с помощью методов атомно-силовой микроскопии идентифицировать и различать эти наночастицы при изучении сложнокомпонентных биологических сред с возможным содержанием обоих типов наночастиц.

Objective: to identify the difference of the numerical values of parameters characterizing the geometric and mechanical (adhesive) properties of inorganic nano-sized particles and nano-sized particles of biological origin by atomic force microscopy using the mode of the mapping of surface features at nano-sized resolution. Material and methods. Exosomes isolated from the blood of Af mice by the method of sequential ultracentrifugation were used as bionanoparticles. Silver nanoparticles were used as inorganic nanoparticles. The nanoparticles were scanned in air with the help of the BioScope Resolve (Bruker) atomic force microscope in the PeakForce QNM in Air mode with the recording of the maps of adhesion forces and imaging of the topography of the studied surfaces. Results. The silver nanoparticles and exosomes had similar but statistically different diameters (45.59 ± 1.04 nm and 41.25 ± 0.91 nm, р < 0.001 t-test). Nevertheless, the silver nanoparticles were characterized by higher values of both height and free surface area in comparison with the corresponding values of the exosome parameters. This leads to a higher value of the spreading ration for exosomes (the average ratio of diameter to height (d/h) was 11.78 for exosomes and 6.67 for nanoparticles (p < 0.001, Mann-Whitney U test) due to greater adhesion properties of the exosome membranes compared to the silver nanoparticles and a lower value of the ratio of the particle volume to its surface area. Averaged over the nanoscale areas of the nanoparticle surface, the adhesion forces of exosomes were higher (3.2 ± 0.57 nN) compared to those of silver nanoparticles (2.2 ± 0.03 nN, p < 0.05, Mann-Whitney U test). Conclusion. The differences in the parameters of the geometric (diameter, height, free surface area) and mechanical properties (adhesion forces) of the silver nanoparticles and exosomes have been revealed, which allows identifying and differentiating of these nanoparticles by the methods of atomic force microscopy during the study of complex biological fluids with possible content of both the types of nanoparticles.