Article de méthode

Synthèse de la poly ( N -isopropylacrylamide) Janus Microhydrogels pour Anisotropic Thermo-réactivité et organophile / Hydrophile Loading Capability

DOI :

10.3791/52813

⸱

27 février 2016

 ,  ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH), 2School of Interdisciplinary Bioscience and Bioengineering (I-Bio), Pohang University of Science and Technology (POSTECH)

Dans cet article

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nous présentons un protocole pour synthétiser des microhydrogels Janus composés entièrement du même matériau de base, le poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm), avec une structure clairement compartimentisée basée sur la séparation de phase d’une solution de monomère NIPAAm sursaturée. Les microhydrogels Janus synthétisés présentent des propriétés uniques telles que la thermoréactivité anisotrope et la capacité de charge organophile/hydrophile.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les microparticules Janus sont des particules compartimentées avec des structures moléculaires et/ou des fonctionnalités différentes sur chacun de leurs deux côtés. En raison de cette propriété unique, les microparticules Janus ont été reconnues comme une nouvelle classe de matériaux, attirant ainsi beaucoup d’attention de divers domaines de recherche. La polyvalence de ces microparticules a été illustrée par leur utilisation en tant qu’éléments constitutifs pour l’auto-assemblage, actionneurs réactifs électriquement, émulsifiants pour la peinture et les cosmétiques, et supports pour l’administration de médicaments. Cette étude présente un protocole détaillé qui décrit explicitement une méthode synthétique pour concevoir de nouveaux microhydrogels Janus composés d’un seul matériau de base, le poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm). Les microgouttelettes Janus sont d’abord générées via un dispositif microfluidique à focalisation hydrodynamique (HFMD) basé sur la séparation d’une solution aqueuse sursaturée de monomères NIPAAm, puis polymérisées par exposition à l’irradiation UV. Les microhydrogels Janus qui en ont résulté se sont avérés être entièrement composés du même matériau de base, présenter une morphologie compartimentée facilement identifiable et présenter une thermoréactivité anisotrope et une capacité de charge organophile/hydrophile. Nous pensons que la méthode proposée introduit une nouvelle plateforme d’hydrogel avec le potentiel de synthèse avancée de microhydrogels Janus multifonctionnels.

Introduction

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Les hydrogels sont un réseau de chaînes de polymères hydrophiles. 1 Un nombre croissant de recherches dans le domaine des hydrogels a favorisé des avancées significatives et révélé leur similitude avec les tissus biologiques ; Les propriétés des hydrogels permettent d’absorber de grandes quantités d’eau tout en conservant leur structure. Les hydrogels sensibles à l’environnement ont également été étudiés de manière approfondie en raison de leur capacité à gonfler ou à rétrécir de manière réversible en réponse à des stimuli externes. 2 Plusieurs déclencheurs, y compris la température3-5 le pH, 6,7 la lumière, 8,9 les champs électriques,10,11 et des molécules spécifiques, telles que le glucose,12,13 ont été suggérés pour contrôler la forme géométrique des hydrogels. Parmi les nombreux hydrogels sensibles à l’environnement actuellement disponibles, le poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm), un hydrogel thermosensible bien connu, présente un retrait volumique au-dessus d’une température de solution critique basse (LCST) de 32 °C.14 Une étude récente de Sasaki et al. 15 ont signalé l’intrigante séparation de phase liquide-liquide du NIPAAm sursaturé, qui est le monomère du PNIPAAm. Selon ce rapport, le NIPAAm sursaturé a été dissous avec un excès molaire de 10 fois de H2O, et peu de temps après, la solution s’est séparée en deux phases liquides lorsqu’elle est laissée reposer à une température supérieure à 25 °C ; en revanche, le NIPAAm dilué a été dissous de manière homogène dans les mêmes conditions.

Les microparticules constituées d’hydrogels sensibles à l’environnement sont des candidats fascinants pour l’administration de médicaments,16,17 la catalyse,18 la détection,19,20 et la photonique. 21 Des méthodes de synthèse traditionnelles, y compris la polymérisation en émulsion, sont utilisées pour produire des microparticules d’hydrogel avec une polydispersité. Cependant, certaines applications nécessitent des microparticules avec une distribution de taille étroite, par exemple, pour stabiliser la pharmacocinétique de l’administration des médicaments. 24 Les microparticules emboliques de forme irrégulière ou polydispersées s’agrègent proximalement en grappes, entraînant des réponses inflammatoires chroniques dans les particules emboliques pour le traitement thérapeutique du cancer. 25,26

L’approche microfluidique est à l’avant-garde de la recherche comme moyen de fabriquer des particules de taille microscopique avec des distributions de taille étroites et des formes complexes. 27-31 Les avantages de la fabrication de microparticules dans le dispositif microfluidique sont basés sur la faible longueur caractéristique du dispositif microfluidique, ce qui se traduit par un faible nombre de Reynolds. Contrairement à l’émulsification en vrac traditionnelle où les gouttes sont formées en parallèle, les microgouttelettes produites dans les dispositifs microfluidiques sont générées en série et ensuite polymérisées en microparticules lors de l’exposition à l’irradiation UV. Le principe fondamental de la formation de gouttelettes à l’aide d’un dispositif microfluidique est l’équilibre entre la tension interfaciale et la force de cisaillement du fluide de gaine agissant sur le fluide central.

Malgré les avantages évidents de la fabrication microfluidique de gouttelettes/particules, les gouttelettes/particules Janus constituées du même matériau de base sont rarement signalées car la morphologie interne de ces gouttelettes/particules est généralement perturbée par la diffusion et la perturbation des fluides du noyau. Pour contourner cette limitation intrinsèque, deux groupes ont récemment signalé la préparation des microparticules Janus en utilisant la séparation de phase induite par la chaleur de nanoparticules colloïdales et la séparation de phase dirigée par UV. 32,33

À cette fin, nous rapportons une approche microfluidique pour synthétiser des microhydrogels Janus entièrement composés d’un seul matériau de base et obtenir un produit à la morphologie clairement compartimentée. Notre approche est basée sur le concept primaire de séparation de phase liquide-liquide du monomère NIPAAm sursaturé. Les microhydrogels Janus qui en ont résulté se sont avérés posséder des propriétés uniques, notamment une thermoréactivité anisotrope et une capacité de charge organophile/hydrophile.

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Protocole

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1. Fabrication d'un moule maître pour la focalisation hydrodynamique dispositif microfluidique (MMPB) par photolithographie

  1. La conception d' un photomasque pour la MMPB (figure 1a) à l' aide de conception (CAO) assistée par ordinateur suivant le protocole du fabricant.
  2. Rincer une plaquette 4 'de silicium avec de l'acétone, l'alcool isopropylique (IPA), et désionisée (DI) pour enlever la poussière organique et inorganique de la plaquette.
  3. Nettoyer la plaquette de silicium avec plasma O 2 à 100 W de puissance pendant 5 minutes pour augmenter la force de liaison entre la plaquette et SU-8.
  4. Spin-couche 4 ml de la résine photosensible négative SU-8 2150, sur la tranche à 3000 tpm pendant 30 secondes pour obtenir une épaisseur de 150 um (b1 de la figure 1b).
  5. Placez la tranche revêtue SU-8 sur une plaque chauffante pendant 5 min à 65 ° C, régler la température à 95 ° C, puis laisser la plaquette sur la plaque chauffante pendant 30 minutes pour cuisson douce.
  6. Placer ledestiné photomasque au- dessus de la plaquette et exposer à une lumière UV (260 mJ cm - 2, 26 s pour 10 mW cm -2) dans un dispositif d' alignement de masque (b2 sur la figure 1b).
  7. Effectuer la cuisson de post-exposition sur une plaque chauffante (65 ° C pendant 5 min puis 95 ° C pendant 12 minutes).
  8. Développer la plaquette par immersion dans un bain de révélateur SU-8 pendant 10 min, puis le transférer dans révélateur frais pendant 5 secondes pour obtenir une surface propre.
  9. Rincer la plaquette pendant 20 secondes avec de l' eau déminéralisée et le sécher pendant 10 secondes avec du gaz N2 (b3 sur la figure 1b). Utilisez la plaquette fabriquée comme un moule maître pour polydiméthylsiloxane (PDMS) coulée dans la section 2.

2. Fabrication de la MMPB par PDMS Castings

  1. Utilisez la plaquette à motif obtenu dans la section 1 du moule maître pour PDMS coulée.
  2. Mélanger le pré-polymère PDMS et d'un agent de durcissement de façon homogène dans un rapport pondéral de 10: 1; par exemple, en utilisant 1 g d'agent de durcissement pour 10 g de PDMS pré Polymer.
  3. Verser le PDMS prépolymère dans le moule maître et dégazer pendant 1 heure dans une chambre à vide (b4 à la figure 1b).
  4. Placer le moule maître avec le PDMS prépolymère dans un four à 65 ° C pendant 3 h.
  5. Couper les PDMS durcis dans la taille d'une puce unique à l'aide d'un scalpel. Décollez délicatement la réplique PDMS durci du moule maître à la main.
  6. Répétez les étapes 02.02 à 02.05 pour obtenir une réplique PDMS identique.
  7. Poinçonner les trous d'entrée et de sortie dans l'une des répliques à l'aide d'un trou perforateur ayant un diamètre légèrement inférieur au diamètre extérieur du tube de raccordement.
  8. Appliquer un traitement au plasma d'air à la zone de liaison de chaque réplique en utilisant un dispositif de traitement corona. 34
    Attention: Utilisez le treater corona dans une zone avec une bonne ventilation pour éviter l' accumulation de l' ozone.
  9. Déposer 5 pl de méthanol sur les zones de plasma traité par air. aligner Finement deux PDMS identiques répliques pour fabriquer la MMPB par manipu main lation, et vérifier l' alignement au moyen d' un microscope (b5 dans la figure 1b).
    Remarque: L'air du plasma traité répliques PDMS sont assez collante et difficile à manipuler. Ainsi, 5 ul de methanol est ajoutée à la surface traitée par plasma d'air pour fonctionner comme lubrifiant.
  10. Placez la MMPB dans un four réglé à 65 ° C pendant la nuit pour renforcer le lien entre deux PDMS répliques (b6 à la figure 1b). Bond deux répliques identiques de PDMS pour augmenter la hauteur du microcanal de MMPB et évitent le colmatage des micro-gouttelettes dans le canal microfluidique au cours du fonctionnement.

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Figure 1: Vue d' ensemble de la procédure MMPB de fabrication (a) Paramètres de conception du photomasque pour la MMPB.. (B) Illustration de la procédure de fabrication pour la MMPB.ftp_upload / 52813 / 52813fig1large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

3. Préparation de NIPAAm riche (N-riche), et NIPAAm pauvres (N-pauvres) Phases de séparation de phase de sursaturée NIPAAm

  1. Dissoudre NIPAAm monomère dans de l'eau DI à un rapport p / p de 1: 1 en utilisant un mélangeur à vortex; Par exemple, on dissout 10 g de NIPAAm dans 10 ml d'eau déminéralisée (première image de la figure 2a).
    Remarque: Une fois que le monomère NIPAAm est complètement dissous à la température ambiante, la solution apparaît turbide (deuxième image de la figure 2a). Ce phénomène est le premier indice que la séparation de phase induite solubilité du monomère NIPAAm sursaturée a eu lieu avec succès.
  2. Permettre à la solution de monomère au repos dans une position verticale à température ambiante pendant au moins 15 min. La phase supérieure est la phase N-riche, et la phase plus dense en bas est la N-pauvre phase (troisième image de la figure 2a). Les densités de thphases e N-riche et N-pauvres sont de 0,93 ± 0,01 et 0,99 ± 0,01 g cm -3, respectivement. 15
  3. Lorsque l'interface séparant les deux phases devient clair, extraire soigneusement 2 ml de solution de monomère à partir des phases N-riches et N-pauvres sans perturber cette interface à l'aide d'une pipette.
  4. Ajouter 4 mg de N, N '-methylenebisacrylamide (MBAAm) comme agent de réticulation et 4 mg de 4- (2-hydroxyéthoxy) phényl- (2-hydroxy-2-propyl) cétone comme photoinitiateur à l'extrait riche en N et N -poor solutions de monomères pour préparer les fluides noyau 1 et 2 pour la concentration en agent de réticulation faible (2 mg ml -1) échantillon (B1 et B2 sur la figure 2b).
  5. Répétez l'étape précédente 3.3 et ajoutez 80 mg de MBAAm et 4 mg de 4- (2-hydroxyéthoxy) phényl- (2-hydroxy-2-propyl) cétone dans chacun des extraits solution de monomère N-riche et N-pauvres pour préparer les fluides de base 1 et 2 pour la haute concentration en agent de réticulation (40 mg ml -1) échantillon (B3 et B4 à la Figure 2b).
  6. Dissoudre 10% en poids d'agent tensio - actif à l'huile dans une huile minérale pour préparer le fluide de gaine (b5 sur la figure 2b).

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Figure 2:. Préparation du matériel pour Janus Microhydrogel Synthèse (a) Préparation de solutions de monomères N-riches et N-pauvres à travers la séparation de phase de sursaturée NIPAAm. (B) Les détails des matériaux et dispositif expérimental utilisé dans le protocole. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

4. Synthèse de Janus Microhydrogels Utilisation de la MMPB

  1. Charge 2 ml de liquide de base 1 et 2 (b1, b2 b3 ou b4 in fi gure 2b) et le fluide de gaine (b5 sur la figure 2b) séparées en trois seringues de 3 ml.
    2. Monter les seringues dans les pompes à seringue et connecter chaque seringue à l'entrée de fluide appropriée de la MMPB en utilisant un tube (Figure (b). Utiliser un tube pour connecter la sortie de fluide de la MMPB à un réservoir de collecte.
  2. Définissez les pompes à seringue et laisser infuser des fluides de base 1 et 2 et fluide gaine à des taux de 2, 2, et 10 min pi -1 flux, respectivement.
  3. (Facultatif) Régler le débit de fluides de base 1 et 2 écoulement pour ajuster les rapports de volumes relatifs de chaque côté de la Janus microgouttelettes.
  4. Positionner la source de lumière UV perpendiculairement à environ 1 cm à partir du réservoir de collecte. Allumez la source de lumière UV et de suivre visuellement la production continue de microhydrogels Janus.
    Attention: L' utilisation UV de protection-lunettes lors de la surveillance de la production microhydrogel.
  5. Ramassez les microhydrogels Janus fabriqués dans un tube conique et lavez-les à l'aide de l'IAP. Ensuite, centrifuger le tube conique (780 g pendant 5 min) pour régler lamicrohydrogels.
  6. Répétez l'étape 4.6 plusieurs fois pour éliminer l'huile minérale entourant les microhydrogels Janus complètement.
  7. Répétez l'étape 4.6, mais l'utilisation d'eau DI avec un tensioactif d'eau de 0,005% (v / v) à la place de l'IPA pour enlever l'IPA restes autour des microhydrogels Janus.
  8. Rangez microhydrogels Janus complètement lavés dans un flacon de 10 ml contenant de l'eau DI.

5. Analyse de l'Anisotropic Thermo-réactivité de Janus Microhydrogels

  1. Utiliser une pipette pour placer microhydrogels Janus synthétisées à partir de la section 4 dans une plaque de 24 puits. Laisser les microhydrogels se déposer pendant 15 secondes jusqu'à ce qu'une monocouche se forme à la surface du fond du puits.
  2. Obtenir une image de la Janus microhydrogel à 24 ° C en utilisant un microscope optique en position verticale avec une lentille d'objectif 5X.
  3. Fixer un module thermo-électrique sous la plaque de puits et à contrôler la tension de ce module pour augmenter la température de la solution contenant les micro Janushydrogels à 32 ° C.
  4. Obtenir une image de la microhydrogel Janus à 32 ° C une fois de plus à l'aide d'un microscope optique verticale avec un objectif 5X.
  5. Répétez les étapes 5,2-5,4 24 fois, en prenant soin de choisir un microhydrogel Janus différent pour l'analyse statistique.
  6. A partir des 25 images de différents microhydrogels Janus à 24 et 32 ​​° C, mesurer le rayon des parties PN-riches et PN-pauvres des microhydrogels Janus en utilisant un logiciel d'analyse d'images selon les instructions du fabricant.

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Résultats

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La figure 3a présente un schéma du dispositif expérimental utilisé pour synthétiser microhydrogels Janus via le MMPB. Les phases riches en azote et la N-pauvres étaient précisément injectés dans la MMPB comme fluides de base 1 et 2, puis fusionnés et divisés en microgouttelettes Janus à l'orifice par le fluide d'enveloppement d'une huile minérale en raison de l'instabilité capillaire de Rayleigh. Par conséquent, microgouttelettes Janus composé de phases riches e...

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Discussion

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Deux matériaux de base non miscibles sont généralement utilisés pour synthétiser les microhydrogels Janus. Jusqu'à récemment, microhydrogels Janus composé de la même matière de base ont été rarement signalés et les microhydrogels rapportés Janus n'a pas eu une morphologie interne claire en raison de la perturbation causée par la miscibilité des matériaux constitutifs. 35, 36 Dans ce protocole, nous démontrons une méthode pour synthétiser microhydrogels Janus composées entièrement de la matière de base...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts financiers concurrents.

Remerciements

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Ce travail a été soutenu par la subvention de la Fondation nationale de recherche de Corée (NRF) financée par le gouvernement coréen (MSIP (n° 2014R1A2A1A01006527 et 2011-0030075).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Plaquette de siliciumLG Siltron4", Plaquette de qualité d’essaipour la fabrication de moules maîtres
AcétoneSamchun Pure ChemicalA0097Nettoyage des plaquettes de silicium
Alcool isopropylique (IPA)Daejung Chemicals & Métaux5035-4404Nettoyage des plaquettes de silicium
Système de purification de l’eauMerck MilliporeEMD Millipore RIOs Essential 5Préparation de l’eau déminéralisée
O2 machine à plasmaFemto ScienceVITA-ANettoyage des plaquettes de silicium
SU-8 2150 photorésine négativeMicroChemY111077 0500L1GLPhotorésine pour la fabrication de moules maîtres
Plaque chauffanteMisung ScientificHP330D, HP150DCuisson SU-8
SU-8 développeurMicrochemY020100 4000L1PEDéveloppement SU-8
Système d’alignement de masque pour photolithographieShinu Mst Co.CA-6MPhotolithographie
Sylgard 184 kit d’élastomère de siliconeDow Corning1064891PDMS coulée
Laboratoire Corona TreaterElectro-technic Products Inc.Modèle BD-20ACPDMS traitement au plasma d’air  ;
N-isopropylacrylamide (NIPAAm)Sigma-Aldrich415324-50GMonomère
N,N'-méthylènebisacrylamide (MBAAm)Sigma-Aldrich146072-100GRéticulant de NIPAAm
4-(2-hydroxy-2-hydroxy-2-propyl)cétone, Irgacure 2959BASF55047962Photoinitiateur de NIPAAm
ABIL EM 90Evonik Industries201109Sufactant pour
huile Vortex mélangeurScientific Industries Inc.Vortex-Genie 2Mélange
Tube TygonSaint-GobainI.D. 1/32 », D.E. 3/32 », Paroi 1/32"Tube de raccordement entre les seringues et
la source lumineuse UVHamamatsu SpotSource lumineuse LC8Polymérisation de NIPAAm à PNIPAAm
Seringues, NORM-JECT (3 ml)Henke-Sass Wolf GmbH22767Chargement du matériel
Pompe à seringueKD ScientificKDS model 200Perfusion de matériaux
Tegitol Type NP-10Sigma-AldrichNP10-500MLTensioactif pour l’eau
Huile rouge OSigma-AldrichO0625-25GColorant pour phase riche
en N Bleu Huile NSigma-Aldrich391557-5GColorant pour la phase riche
en N Colorant alimentaire jauneEdentown F& BNAColorant pour la phase pauvre
azote Colorant alimentaire vertEdentown F& BNAColorant pour phase N-pauvre
Alimentation AgilentE3649ASource d’alimentation pour module thermoélectrique
Module thermoélectriquePeltierFALC1-12710T125Contrôle de la température
CentrifugeuseLabogene1248RDécantation des microhydrogels
Plaque à 24 puitsSPL Life Sciences32024Réservoir pour l’observation
Microscope optiqueNikonECLIPSE 80iObservation optique
Logiciel d’analyse d’imagesIMT i-Solution Inc.iSolutions DTMesure du rayon
HFMD en

Références

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