Síntesis de Poli ( N -isopropylacrylamide) Janus Microhydrogels para anisotrópico Thermo-respuesta y la organófila / hidrofílico La capacidad de carga

Resumen

Presentamos un protocolo para sintetizar microhidrogeles Janus compuestos íntegramente por el mismo material base, poli(N-isopropilacrilamida) (PNIPAAm), con una estructura claramente compartimentada basada en la separación de fases de una solución de monómero NIPAAm supersaturada. Los microhidrogeles Janus sintetizados muestran propiedades únicas, como la termorreactividad anisotrópica y la capacidad de carga organofílica/hidrofílica.

Resumen

Las micropartículas de Janus son partículas compartimentadas con diferentes estructuras moleculares y/o funcionalidad en cada uno de sus dos lados. Debido a esta propiedad única, las micropartículas de Janus han sido reconocidas como una nueva clase de materiales, lo que atrae una gran atención de diversos campos de investigación. La versatilidad de estas micropartículas se ha ejemplificado a través de sus usos como bloques de construcción para el autoensamblaje, actuadores que responden eléctricamente, emulsionantes para pintura y cosméticos, y portadores para la administración de medicamentos. Este estudio presenta un protocolo detallado que describe explícitamente un método sintético para diseñar nuevos microhidrogeles Janus compuestos por un único material base, la poli(N-isopropilacrilamida) (PNIPAAm). Las microgotas de Janus se generan en primer lugar a través de un dispositivo microfluídico de enfoque hidrodinámico (HFMD) basado en la separación de una solución acuosa de monómero NIPAAm sobresaturado y, posteriormente, se polimerizan mediante la exposición a la irradiación UV. Se descubrió que los microhidrogeles Janus resultantes estaban compuestos en su totalidad por el mismo material base, presentaban una morfología compartimentada fácilmente identificable y exhibían una capacidad de carga organotrópica / termorreceptora anisotrópica. Creemos que el método propuesto introduce una nueva plataforma de hidrogeles con el potencial para la síntesis avanzada de microhidrogeles Janus multifuncionales.

Introducción

Los hidrogeles son una red de cadenas poliméricas hidrofílicas. ¹ Cada vez son más las investigaciones en el campo de los hidrogeles que han promovido avances significativos y han revelado su similitud con los tejidos biológicos; Las propiedades de los hidrogeles permiten la absorción de grandes cantidades de agua manteniendo su estructura. Los hidrogeles sensibles al medio ambiente también se han estudiado ampliamente debido a su capacidad para hincharse o encogerse reversiblemente en respuesta a estímulos externos. ² Se han sugerido varios factores desencadenantes, como la ^{temperatura,3-5 pH,6,7} la ^luz,8,9 campos ^{eléctricos,10,11} y moléculas específicas, como la ^{glucosa,12,13} para controlar la forma geométrica de los hidrogeles. Entre los muchos hidrogeles sensibles al medio ambiente disponibles en la actualidad, el poli(N-isopropilacrilamida) (PNIPAAm), un conocido hidrogel termosensible, exhibe una contracción de volumen por encima de una temperatura de solución crítica baja (LCST) de 32 °^C.14 Un estudio reciente de Sasaki et al. ¹⁵ informó de la intrigante separación de fases líquido-líquido de NIPAAm supersaturado, que es el monómero de PNIPAAm. De acuerdo con este informe, el NIPAAm sobresaturado se disolvió con un exceso molar de 10 veces de_H2O, y poco después, la solución se separó en dos fases líquidas cuando se dejó reposar a una temperatura superior a 25 °C; por el contrario, el NIPAAm diluido se disolvió homogéneamente en las mismas condiciones.

Las micropartículas hechas de hidrogeles sensibles al medio ambiente son candidatas fascinantes para su aplicación en la administración de ^{fármacos,16,17} catálisis,18 detección,19,20 y fotónica. ²¹ Los métodos sintéticos tradicionales, incluida la polimerización en emulsión, se utilizan para producir micropartículas de hidrogel con polidispersidad. ^22,23 Sin embargo, ciertas aplicaciones requieren micropartículas con una distribución de tamaño estrecha, por ejemplo, para estabilizar la farmacocinética de la administración de fármacos. ²⁴ Las micropartículas embólicas de forma irregular o polidispersas se agregan proximalmente en grupos, lo que provoca respuestas inflamatorias crónicas en partículas embólicas para el tratamiento terapéutico del cáncer. ^25,26

El enfoque microfluídico está a la vanguardia de la investigación como medio para fabricar partículas de tamaño micro con distribuciones de tamaño estrechas y formas complejas. ^27-31 Las ventajas de fabricar micropartículas en el dispositivo microfluídico se basan en la pequeña longitud característica del dispositivo microfluídico, lo que da como resultado un número de Reynolds bajo. A diferencia de la emulsificación masiva tradicional, en la que las gotas se forman en paralelo, las microgotas producidas en dispositivos microfluídicos se generan en serie y posteriormente se polimerizan en micropartículas tras la exposición a la irradiación UV. El principio fundamental de la formación de gotas utilizando un dispositivo microfluídico es el equilibrio entre la tensión interfacial y la fuerza de cizallamiento del fluido de la vaina que actúa sobre el fluido central.

A pesar de las ventajas obvias de la fabricación microfluídica de gotas/partículas, las gotas/partículas de Janus que consisten en el mismo material base rara vez se informan porque la morfología interna de estas gotas/partículas generalmente se ve perturbada por la difusión y perturbación de los fluidos centrales. Para eludir esta limitación intrínseca, dos grupos informaron recientemente de la preparación de las micropartículas Janus mediante el empleo de la separación de fases inducida por el calor de las nanopartículas coloidales y la separación de fases dirigida por los rayos UV. ^32,33

Con este fin, presentamos un enfoque microfluídico para sintetizar microhidrogeles Janus compuestos íntegramente por un único material base y obtener un producto con una morfología claramente compartimentada. Nuestro enfoque se basa en el concepto primario de separación de fases líquido-líquido del monómero NIPAAm supersaturado. Se descubrió que los microhidrogeles Janus resultantes poseían propiedades únicas, incluida la termorreactividad anisotrópica y la capacidad de carga organofílica/hidrofílica.

Protocolo

1. La fabricación de un molde maestro para el enfoque hidrodinámico dispositivo de microfluidos (MPB) a través de fotolitografía

1. Diseñar una fotomáscara para la MPB (Figura 1a) usando el software de diseño (CAD) asistidas por ordenador de acuerdo con el protocolo del fabricante.
2. Enjuagar una oblea de 4 'de silicio con acetona, alcohol isopropílico (IPA), y agua desionizada (DI) para eliminar el polvo orgánicos e inorgánicos de la oblea.
3. Limpiar la oblea de silicio con plasma de _O2 a 100 W de potencia durante 5 min para aumentar la resistencia de la unión entre la oblea y SU-8.
4. Spin-capa 4 ml de la resina fotosensible negativa, SU-8 2150, sobre la oblea a 3000 rpm durante 30 segundos para lograr un espesor de 150 micras (b1 en la Figura 1b).
5. Coloque el disco recubierto SU-8 sobre una placa caliente durante 5 minutos a 65 ° C, ajustar la temperatura a 95 ° C, y luego salir de la oblea en la placa caliente durante 30 minutos para hornear suave.
6. Colocar elfoto máscara diseñada sobre la oblea y exponer a la luz UV (260 mJ cm ^-2, 26 seg para 10 mW ^cm-2) en un alineador de máscara (b2 en la Figura 1b).
7. Realizar la cocción posterior a la exposición sobre una placa caliente (65 ° C durante 5 minutos y luego 95 ° C durante 12 min).
8. Desarrollar la oblea por inmersión en un baño de revelado SU-8 durante 10 minutos, y luego transferirlo a revelador nuevo durante 5 segundos para obtener una superficie limpia.
9. Enjuagar la oblea durante 20 segundos con agua DI y se seca durante 10 s con N ₂ gas (b3 en la Figura 1b). Utilice la oblea fabricada como un molde maestro para la fundición de polidimetilsiloxano (PDMS) en la sección 2.

2. La fabricación de la MPB a través de fundición PDMS

1. Utilice la oblea modelada obtenida en la sección 1 como el molde maestro de PDMS de fundición.
2. Mezclar el PDMS pre-polímero y un agente de curado de manera homogénea en una relación en peso de 10: 1; por ejemplo, utilizar 1 g de agente de curado para 10 g de PDMS pre-Polymer.
3. Verter el PDMS pre-polímero en el molde maestro y desgasificar durante 1 h en una cámara de vacío (b4 en la Figura 1b).
4. Colocar el molde maestro con el PDMS pre-polímero en un horno a 65 ° C durante 3 hr.
5. Cortar los PDMS curados en el tamaño de un solo chip usando un bisturí afilado. Despega cuidadosamente la réplica de PDMS curado del molde maestro con la mano.
6. Repita los pasos 2.2 a 2.5 para obtener una réplica idéntica PDMS.
7. Perforar de entrada y salida agujeros en una de las réplicas utilizando una perforadora con un diámetro ligeramente menor que el diámetro exterior del tubo de conexión.
8. Aplicar el tratamiento con plasma de aire a la zona de unión de cada réplica utilizando un tratador corona. ³⁴
   Precaución: Utilice el tratador corona en un área con buena ventilación para evitar la acumulación de ozono.
9. Caída de 5 l de metanol en las áreas tratadas con plasma de aire. Finamente alinear dos PDMS réplicas idénticas para fabricar la HFMD por parte manipu mento, y compruebe la alineación a través de un microscopio (b5 en la Figura 1b).
   Nota: Las réplicas de PDMS tratadas con plasma de aire son bastante pegajoso y difícil de manipular. Por lo tanto, 5 l de metanol se añade a la superficie tratada con plasma de aire para funcionar como un lubricante.
10. Coloque la HFMD en un horno a 65ºC durante la noche ° C para fortalecer el vínculo entre dos réplicas de PDMS (b6 en la Figura 1b). Bond dos PDMS réplicas idénticas para aumentar la altura del microcanal de la HFMD y evitar la obstrucción de las microgotitas en el canal microfluídico durante la operación.

Figura 1: Resumen del proceso de fabricación MPB (a) Los parámetros de diseño de la máscara fotográfica para la HFMD.. (B) Ilustración del procedimiento de fabricación de la MPB.ftp_upload / 52813 / 52813fig1large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. Preparación de NIPAAm ricos (rico en N) y NIPAAm pobres (N-pobres) Fases de separación de fases de Supersaturada NIPAAm

1. Disolver monómero NIPAAm en agua DI en relación w / w de 1: 1 utilizando un mezclador de vórtice; por ejemplo, disolver 10 g de NIPAAm en 10 ml de agua DI (primera imagen de la Figura 2a).
   Nota: Una vez que el monómero NIPAAm se haya disuelto completamente a temperatura ambiente, la solución aparece turbia (segunda imagen de la Figura 2a). Este fenómeno es la primera señal se ha producido con éxito que la separación de fases de solubilidad inducida del monómero NIPAAm sobresaturada.
2. Deje que la solución de monómero para descansar en una posición vertical a temperatura ambiente durante al menos 15 minutos. La fase superior es la fase rico en N, y la fase densa inferior es la N-pobres fase (tercera imagen de la figura 2a). Las densidades de THfases e rico en N y N-pobres son 0,93 ± 0,01 y 0,99 ± 0,01 g ^cm-3, respectivamente. ¹⁵
3. Cuando la interfaz de la separación de las dos fases se hace evidente, extraer cuidadosamente 2 ml del solución de monómero a partir de las fases N-ricos y N-pobres sin molestar a esta interfaz mediante el uso de una pipeta.
4. Añadir 4 mg de N, N '-methylenebisacrylamide (MBAAm) como un agente de reticulación y 4 mg de 4- fenil- (2-hidroxietoxi) (2-hidroxi-2-propil) cetona como un fotoiniciador a la extraída rico en N y N -poor soluciones de monómero para preparar fluidos básicos 1 y 2 para la baja concentración de agente de entrecruzamiento (2 mg ml ^-1) muestra (B1 y B2 en la Figura 2b).
5. Repita anterior Paso 3.3 y añadir 80 mg de MBAAm y 4 mg de 4- fenil- (2-hidroxietoxi) (2-hidroxi-2-propil) cetona en cada uno de solución de monómero rico en N y N-pobre extraído para preparar fluidos básicos 1 y 2 para la alta concentración de agente de reticulación (40 mg ml ^-1) muestra (b3 y b4 en la figuraUre 2b).
6. Disolver 10% en peso de tensioactivo de aceite en aceite mineral para preparar el fluido de revestimiento (b5 en la Figura 2b).

Figura 2:. Preparación de materiales para Janus Microhydrogel Síntesis (a) Preparación de soluciones de N-ricos y pobres N-monómero a través de la separación de fases de NIPAAm sobresaturada. (B) Los detalles de los materiales y la configuración experimental utilizada en el protocolo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

4. Síntesis de Janus Microhydrogels Uso de la MPB

1. Carga de 2 ml de los fluidos del núcleo 1 y 2 (b1, b3 b2 o, b4 en Fi gura 2b) y el fluido de revestimiento (B5 en la figura 2b) en tres separadas 3 ml jeringas.
Montar las jeringas en las bombas de jeringa y conectar cada jeringa para la entrada de fluido apropiada de la HFMD utilizando tubería (Figura (b). Usa tuberías para conectar la salida de fluido de la HFMD a un depósito de recogida.
2. Establecer las bombas de jeringa e inyectar fluidos básicos 1 y 2 y fluido de revestimiento a velocidades de flujo de 2, 2, y 10 min l ^-1, respectivamente.
3. (Opcional) Tune la velocidad de flujo de fluidos del núcleo 1 y 2 para ajustar las relaciones de volumen relativo de cada lado de la microgota Janus.
4. Coloque la fuente de luz UV perpendicularmente alrededor de 1 cm de distancia del depósito de recogida. Conectar la fuente de luz UV y controlar visualmente la producción continua de microhydrogels Janus.
   Precaución: El uso de protección UV-gafas, al supervisar la producción microhydrogel.
5. Recoge los microhydrogels Janus fabricados en un tubo cónico y lavarlos usando IPA. A continuación, se centrifuga el tubo cónico (780 g durante 5 minutos) para resolver lamicrohydrogels.
6. Repita el paso 4.6 varias veces para eliminar el aceite mineral que rodea a los microhydrogels Janus por completo.
7. Repita el paso 4.6, pero el uso del agua DI con un agente tensioactivo en agua de 0,005% (v / v) en lugar de IPA para quitar el sobrante alrededor de las IPA microhydrogels Janus.
8. Almacenar microhydrogels Janus completamente lavados en una que contiene agua DI vial de 10 ml.

5. Análisis de la Termo-anisotrópico capacidad de respuesta de Janus Microhydrogels

1. Utilizar una pipeta para colocar microhydrogels Janus sintetizados a partir de la sección 4 en una placa de 24 pocillos. Permitir que los microhydrogels se asienten durante 15 segundos hasta que una monocapa se forma en la superficie inferior del pozo.
2. Obtener una imagen de la microhydrogel Janus a 24 ° C utilizando un microscopio óptico en posición vertical con una lente de objetivo 5X.
3. Establecer un módulo termoeléctrico debajo de la placa y así controlar el voltaje de este módulo para aumentar la temperatura de la solución que contiene Janus microhidrogeles a 32 ° C.
4. Obtener una imagen de la microhydrogel Janus a 32 ° C, una vez más mediante el uso de un microscopio óptico en posición vertical con una lente de objetivo 5X.
5. Repita los pasos 5.2-5.4 24 veces, teniendo cuidado de elegir un microhydrogel Janus diferente para el análisis estadístico.
6. De las 25 imágenes de diferentes microhydrogels Janus en 24 y 32 ° C, medir el radio de las partes PN-ricos y PN-pobres de las microhydrogels Janus utilizando software de análisis de imagen de acuerdo con las instrucciones del fabricante.

Resultados

La Figura 3a presenta un esquema de la configuración experimental utilizada para sintetizar microhydrogels Janus a través de la HFMD. Las fases N-ricos y N-pobres fueron inyectados con precisión en la HFMD como fluidos de núcleo 1 y 2 y luego se fusionaron y divide en microgotas Janus en el orificio por el fluido de revestimiento de aceite mineral debido a la inestabilidad capilar Rayleigh. En consecuencia, microgotas Janus compuestas de fases N-ricos y N-pobres...

Discusión

Dos materiales de base inmiscibles se utilizan generalmente para sintetizar los microhydrogels Janus. Hasta hace poco, microhydrogels Janus que consisten en el mismo material de base rara vez se informa y los microhydrogels Janus reportados no tienen una morfología interna clara debido a la perturbación causada por la miscibilidad de los materiales que lo componen. ^{35, 36} En este protocolo, se demuestra un método para sintetizar microhydrogels Janus compuesto en su totalidad de material de una sola base, PNIP...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Oblea de silicona	LG Siltron	grado de prueba	para la fabricación de moldes maestros
Acetona	Samchun Pure Chemical	A0097	Limpieza de oblea de silicona
Alcohol isopropílico (IPA)	Daejung Chemicals & Metales	5035-4404	Limpieza de obleas de silicio
Sistema de purificación de agua	Merck Millipore	EMD Millipore RIOs Essential 5	Preparación de agua desionizada
O2 máquina de plasma	Femto Science	VITA-A	Limpieza oblea de silicio
SU-8 2150 fotorresistente negativo	MicroChem	Y111077 0500L1GL	Fotorresistente para la fabricación de moldes maestros
Placa caliente	Misung Scientific	HP330D, HP150D	Horneado SU-8
SU-8 revelador	Microchem	Y020100 4000L1PE	Desarrollo SU-8
Sistema de alineador de máscara para fotolitografía	Shinu Mst Co.	CA-6M	Fotolitografía
Sylgard 184 kit de elastómero de silicona	Dow Corning	1064891	PDMS fundición
Laboratorio Corona Treater	Electro-technic Products Inc.	Modelo BD-20AC	PDMS tratamiento de plasma de aire
N-isopropilacrilamida (NIPAAm)	Sigma-Aldrich	415324-50G	Monómero
N,N'-metilenebisacrilamida (MBAAm)	Sigma-Aldrich	146072-100G	Reticulante de NIPAAm
4-(2-hidroxietoxi)fenil-(2-hidroxi-2-propil)cetona, Irgacure 2959	BASF	55047962	Fotoiniciador de NIPAAm
ABIL EM 90	Evonik Industrias	201109	Suministrador para aceite
Mezclador de vórtice	Scientific Industries Inc.	Vortex-Genie 2	Tubo Tygon de mezcla
	Saint-Gobain	I.D. 1/32", O.D. 3/32", Pared 1/32"	Tubo de conexión entre las jeringas y la
fuente de luz UV	Hamamatsu	Fuente de luz puntual LC8	Polimerización de NIPAAm a PNIPAAm
Jeringas, NORM-JECT (3 ml)	Henke-Sass Wolf GmbH	22767	Carga de materiales
Bomba de jeringa	KD Scientific	KDS modelo 200	Perfusión de materiales
Tegitol Tipo NP-10	Sigma-Aldrich	NP10-500ML	Tensioactivo para agua
Aceite rojo O	Sigma-Aldrich	O0625-25G	Colorante para fase rica
N Aceite Azul N	Sigma-Aldrich	391557-5G	Colorante para fase rica en N
Colorante alimentario amarillo	Edentown F& B	NA	Tinte para la fase pobre en N
Colorante alimentario verde	Edentown F& B	NA	Colorante para fase pobre
N Fuente de alimentación	Agilent	E3649A	Fuente de alimentación para módulo termoeléctrico
Módulo termoeléctrico	Peltier	FALC1-12710T125 Control de	temperatura
Máquina centrífuga	Labogene	1248R	Sedimentación de microhidrogeles
Placa de 24 pocillos	SPL Life Sciences	32024	Depósito para observación
Microscopio óptico	Nikon	ECLIPSE 80i	Observación óptica
Software de análisis	de imágenes IMT i-Solution Inc.	iSolutions DT	Medición del radio