Einfache Synthese von wurmartigen Mizellen durch sichtbares Licht Mediated Dispersion Polymerisation mit Photoredox Katalysator

Das übergeordnete Ziel dieses Protokolls besteht darin, die einfache Synthese wurmähnlicher Mizellen mittels sichtbarem Licht vermittelter Polymerisation zu demonstrieren. Diese Methode beinhaltet die Herstellung von Polymerat-Nanopartikeln, die für eine Vielzahl von Anwendungen, wie beispielsweise die Nanomedizin, genutzt werden können. Der Hauptvorteil dieses Verfahrens liegt in der Herstellung wurmähnlicher Nanopartikel mittels eines zweistufigen Prozesses. Die Bedeutung dieser Technik erstreckt sich auf den Bereich der Arzneimittelabgabe, da in zahlreichen Studien gezeigt wurde, dass mit Wirkstoff beladene, wurmähnliche Nanopartikel eine erhöhte zelluläre Aufnahme bewirken.

Um dieses Verfahren zu beginnen, geben Sie die entsprechenden Reagenzien gemäß dem schriftlichen Protokoll sowie einen magnetischen Rührstab und 50 Milliliter Acetonitril in einen 100-Milliliter-Rundkolben. Verschließen Sie den Kolben mit einem passenden Gummiseptum und Stahldraht. Kühlen Sie anschließend den Kolben in einem Eiswasserbad auf unter vier Grad Celsius ab.

Danach den Kolben dreißig Minuten lang entgasen, indem Stickstoff über eine 21-Gauge-Nadel direkt in das Reaktionsgemisch eingeleitet wird, während eine zweite 21-Gauge-Nadel als Entlüftung dient. Den Kolben für fünfeinhalb Stunden in ein Ölbad bei 70 Grad Celsius stellen. Sobald die Reaktion abgeschlossen ist, die Polymerisation durch Eintauchen des Kolbens in ein Eiswasserbad und durch Belüften des Inhalts beenden.

Entfernen Sie anschließend das Acetonitril durch Rühren unter einem kontinuierlichen Strom von Druckluft. Lösen Sie danach das Rohprodukt in etwa 40 Milliliter Tetrahydrofuran oder THF erneut auf. Geben Sie nun den Inhalt des Kolbens tropfenweise zu 400 Milliliter eines rasch gerührten Gemischs aus Benzinäther und Diethylether und rühren Sie weiter, bis die Überstandslösung nicht mehr trüb ist.

Nach Abschluss der Fällung wird der Überstand dekantiert und der Polymerrest in etwa 40 Milliliter THF erneut gelöst. Der Fällungsprozess wird mindestens zwei weitere Male wiederholt, um eine vollständige Entfernung des restlichen Monomers sicherzustellen. Anschließend wird das überschüssige Lösungsmittel aus dem gereinigten Homopolymer durch Rühren unter einem kontinuierlichen Strom Druckluft entfernt und danach das Polymer vier Stunden im Vakuumofen getrocknet.

Zu diesem Zeitpunkt bestimmen Sie die zahlengemittelte Molmasse des Homopolymers mittels Kernspinresonanzspektroskopie unter Verwendung einer zuvor beschriebenen Methode. Berechnen Sie mithilfe der Gelpermeationschromatographie die Polymerdispersität. Falls die Molmasse Ihres synthetisierten Homopolymers von der hier angegebenen Molmasse von 9000 abweicht, ist es dennoch möglich, im anschließenden Schritt ein Wurmgel zu erhalten.

Die Reaktionszeit variiert jedoch. Bereiten Sie zu diesem Zeitpunkt eine Stammlösung mit einer Konzentration von einem Milligramm pro Milliliter des auf Ruthenium basierenden photochemischen Redoxkatalysators in Ethanol vor. Lagern Sie die Stammlösung im Kühlschrank, um die Lösungsmittelverdunstung zu minimieren.

Danach verschließen Sie eine Pasteur-Pipette mit einem kleinen Wattebausch, wobei Sie eine zweite Pipette verwenden, um den Wollbausch fest einzupacken. Geben Sie basisches Aluminiumoxid in die Pipette, sodass eine Höhe von etwa fünf Zentimetern erreicht wird. Entfernen Sie anschließend den Mono-Methyläther-Hydrochinon-Inhibitor in BzMA, indem Sie etwa drei Milliliter durch die Pipette leiten und das desinhibierte BzMA auffangen.

Geben Sie das de-inhibierte BzMA, das Homopolymer, die Ruthenium-Katalysator-Stammlösung, Acetonitril, Ethanol und den magnetischen Rührstab in ein vier Milliliter fassendes Glasröhrchen. Führen Sie dann das Deoxygenierungsverfahren wie zuvor beschrieben durch. Danach stellen Sie das Röhrchen in einen 2000-Milliliter-Glaskolben, der mit blauen LED-Streifen ausgekleidet ist, und bestrahlen es bei Raumtemperatur unter magnetischem Rühren.

Nach zwanzig Stunden überwachen Sie routinemäßig die Reaktionsflasche und nehmen sie aus dem Reaktor heraus, sobald sich bei Umkehrung der Flasche aus der hochviskosen Lösung ein selbsttragendes Gel bildet. Wenn also Ihre Reaktoranordnung von der hier gezeigten abweicht, wird dennoch die Gelierung beobachtet, die auf die Bildung wurmähnlicher Mizellen hinweist, allerdings zu einem anderen Reaktionszeitpunkt. Dies hängt letztlich von der Polymerisationsgeschwindigkeit Ihres Reaktors ab.

Nachdem das Fläschchen aus dem Reaktor entfernt wurde, beenden Sie die Polymerisation, indem Sie das Nanopartikelgel einige Minuten lang der Luft aussetzen. Bewahren Sie das verschlossene Fläschchen aufrecht und im Dunkeln auf. Für die TEM-Aufnahme geben Sie etwa 40 Milligramm des rohen Nanopartikelgels in ein vier Milliliter fassendes Glasfläschchen.

Rühren Sie das Nanopartikelgel kontinuierlich mit einem Vortex-Mischer um und geben Sie über einen Zeitraum von mindestens fünf Minuten tropfenweise vier Milliliter Ethanol hinzu. Entfernen Sie makroskopische Aggregate aus der verdünnten Nanopartikelprobe durch Filtration über Glaswolle. Führen Sie abschließend die TEM-Aufnahme der verdünnten Nanopartikelprobe gemäß einem zuvor beschriebenen Verfahren durch.

In dieser Studie wird ein zweistufiges Polymerisationsprotokoll für die Synthese wurmähnlicher Mizellen unter Verwendung eines PISA-Ansatzes verwendet. Während der Polymerisation wird die anfangs transparente Reaktionsmischung trüb, was auf die Dispersionpolymerisation hindeutet, und geht schließlich in einen hochviskosen, gelartigen Zustand über, der die Bildung wurmähnlicher Mizellen anzeigt. Hinweise auf eine lebende Polymerisation zeigen sich in niedrigen Polymerdispersitäten und einer guten Korrelation zwischen der Molekularmasse und der Monomerumsetzung.

Zusätzlich deuten Gelpermeationschromatographie-Spuren auf eine überwiegend unimodale Verteilung mit variabler Umsatzgrad an, obwohl in diesem System eine gewisse terminale Bildung hochmolekularer Anteile sowie eine Ausbildung niedermolekularer Schwänze beobachtet wird. Die Bildung der wurmähnlichen Mizellenmorphologie ist ebenfalls unter verschiedenen Reaktionsbedingungen erreichbar, wie beispielsweise variierenden Röhrchentypen und Reagenzzusammensetzungen, aber auch, wenn die Lichtquelle intermittierend eingesetzt wird. Dies bedeutet, dass trotz des starken Einflusses der Lichtdurchdringung auf die Polymerisationsgeschwindigkeiten in den meisten photopolymerisierenden Systemen das Gelierverhalten in diesem Protokoll weiterhin als zuverlässiger Indikator für die Bildung wurmähnlicher Mizellen dienen kann.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man Nanopartikel mit programmierbarer Form erzeugt, die in der Lage sind, sich selbst zu einem Gel zu organisieren.