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Article de méthode

Synthèse Facile de micelles Worm-like par lumière visible Mediated Dispersion Polymérisation En utilisant photoredox Catalyst

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DOI :

10.3791/54269

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8 juin 2016

 ,  , 
1Centre for Advanced Macromolecular Design (CAMD), The University of New South Wales, 2Australian Centre for NanoMedicine (ACN), The University of New South Wales, 3School of Chemical Engineering, The University of New South Wales

Dans cet article

Résumé

Cet article décrit un procédé de production de nanoparticules polymères auto-assemblées en utilisant la polymérisation par dispersion médiée par la lumière visible. L’utilisation de la lumière visible à faible énergie pour contrôler la polymérisation permet la formation reproductible de micelles auto-assemblées ressemblant à des vers à haute teneur en solides.

Résumé

est présenté ici un protocole pour la synthèse facile de micelles vermiformes par polymérisation par dispersion médiée par la lumière visible. Cette approche commence par la synthèse d’un homopolypolymère hydrophile poly(oligo(éthylène glycol) méthacrylate de méthyléther (POEGMA) par polymérisation réversible par addition-fragmentation par transfert de chaîne (RAFT). Sous une légère irradiation à la lumière visible (λ = 460 nm, 0,7 mW/cm2), cet agent de transfert de macro-chaînes (macro-CTA) en présence d’un catalyseur photoredox à base de ruthénium, Ru(bpy)3Cl2 peut être prolongé en chaîne avec un deuxième monomère pour former un copolymère séquencé bien défini dans un processus connu sous le nom de transfert d’électrons photoinduit RAFT (PET-RAFT). Lorsque le PET-RAFT est utilisé pour enchaîner l’extension de POEGMA avec du méthacrylate de benzyle (BzMA) dans de l’éthanol (EtOH), des nanoparticules polymères de différentes morphologies sont formées in situ selon un mécanisme d’auto-assemblage induit par la polymérisation (PISA). L’auto-assemblage en nanoparticules présentant des chaînes POEGMA au niveau de la couronne et des chaînes poly(méthacrylate de benzyle) (PBzMA) dans le noyau se produit in situ en raison de l’insolubilité croissante du bloc PBzMA dans l’éthanol. Il est intéressant de noter que la formation de micelles vermoulues très pures peut être facilement surveillée en observant l’apparition d’un gel très visqueux in situ en raison de l’enchevêtrement de nanoparticules se produisant pendant la polymérisation. Ce procédé permet ainsi une synthèse plus reproductible de micelles vermiformes simplement en surveillant la viscosité de la solution au cours de la polymérisation. De plus, le stimulus lumineux peut être appliqué par intermittence de manière ON/OFF, démontrant ainsi un contrôle temporel sur la morphologie des nanoparticules.

Introduction

La synthèse de non-sphériques (et d'autres) morphologies de nanoparticules a été traditionnellement effectuée en utilisant une procédure en plusieurs étapes d'auto-assemblage en commençant par la synthèse et la purification des deux séquences bien définies amphiphiles (ou multibloc) des copolymères. Une des techniques d' auto-assemblage les plus courantes a été popularisé par Eisenberg dans les années 1990 et implique la dissolution du copolymère séquencé amphiphile dans un solvant commun pour les deux blocs de polymère suivie par l'addition lente d'un solvant sélectif pour l' un des blocs 1-3 . On ajoute que le solvant sélectif (habituellement de l'eau), le copolymère séquencé subit une auto-assemblage pour former des nanoparticules polymères. La morphologie finale (ou des mélanges de morphologies) des nanoparticules sont déterminées par un grand nombre de facteurs tels que la longueur relative de chaque bloc de polymère, le taux d'addition de l'eau et de la nature du solvant commun. Cependant, cette approche ne permet généralement que pour la production de nanoparticles relativement faible teneur en matières solides (moins de 1% en poids) et ainsi limite son évolutivité pratique 4. En outre, la formation reproductible des phases «intermédiaires» tels que des micelles vermiformes peut être difficile en raison de la gamme étroite de paramètres requis pour stabiliser cette morphologie non sphérique 5.

La induite polymérisation auto-assemblage (PISA) approche répond en partie aux inconvénients de l'approche Eisenberg en utilisant le procédé de polymérisation lui - même pour conduire l' auto-assemblage in situ permettant la synthèse de nanoparticules à beaucoup plus forte teneur en matières solides (typiquement 10-30% en poids) 6 -8. Dans une approche typique PISA, un procédé de polymérisation vivante est utilisée pour allonger la chaîne d'un solvant soluble dans l'macroamorceur (ou macro-DEC) avec un monomère qui est initialement soluble dans le milieu réactionnel, mais forme un polymère insoluble. L'approche PISA a été utilisé pour synthétiser des micelles vermiformes en testant systématiquement un certain nombre d'ex paramètres expérimentaux et en utilisant des diagrammes de phases détaillées comme une «feuille de route» synthétique. 5,9

Malgré leur synthèse difficile, il y a un grand intérêt dans des nanoparticules de type ver en raison de leurs propriétés intéressantes par rapport à leurs homologues sphériques. Par exemple, nous avons démontré que les micelles vermiformes chargées de médicament à court et long synthétisés en utilisant une approche PISA ont significativement plus élevée dans cytotoxicité in vitro par rapport à micelles sphériques ou vésicules 10. D' autres ont montré une corrélation entre le rapport d'aspect des nanoparticules et le temps de circulation du sang dans les modèles in vivo 11. D'autres ont montré que la synthèse de nanoparticules de type ver utilisant une méthodologie appropriée PISA donne un gel macroscopique due à l'enchevêtrement nanométrique des filaments de nanoparticules. Ces gels ont démontré le potentiel que les gels stérilisables en raison de leur comportement sol-gel thermoréversible 12.

ontenu "> Ce protocole décrit une méthode permettant le suivi in situ de la formation de micelles vermiformes en observant simplement la viscosité de la solution pendant la polymérisation. Des études antérieures de gels micellaires vermiformes similaires ont montré qu'au - dessus d' une température critique, ces nanoparticules subissent une transition ver-sphère réversible et forment ainsi des dispersions à écoulement libre à des températures élevées. à ce jour, ces systèmes ont utilisé un composé azoïque sensible à la chaleur pour amorcer la polymérisation contrôlée 13,14 et ainsi gélification ne peut pas être facilement observé dans ces systèmes pendant la polymérisation thermique. a partir de ces études, on a émis l' hypothèse que la synthèse des nanoparticules PISA dérivées à des températures plus basses peuvent permettre l' observation de ce comportement de gélification in situ.

Récemment, nous avons signalé l'utilisation d'une technique de photopolymérisation de la température ambiante facile à la médiation du processus PISA pour obtenir des nanoparticules de15 morphologies différentes. Ici, un protocole visualisé est présenté pour la synthèse reproductible de micelles vermiformes en observant le comportement de viscosité de la solution pendant la polymérisation. La polymérisation en dispersion produit facilement en utilisant des diodes électroluminescentes (LED disponibles dans le commerce) (λ = 460 nm, 0,7 mW / cm2).

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Protocole

1. Synthèse et caractérisation de POEGMA Macro-CTA

  1. Ajouter un oligo (éthylène glycol) méthyl éther de méthyle (OEGMA) (12 g, 4 x 10 -2 mol), de 4- cyano-4 (phenylcarbonothioylthio) pentanoïque (CPADB) (0,224 g, 8 x 10 -4 mol) 2,2'-azobis (2-méthylpropionitrile) (AIBN) (16,4 mg, 0,1 mmol) et 50 ml d'acétonitrile (MeCN) pour 100 ml ballon à fond rond.
  2. Sceller la fiole avec un fil de septum en caoutchouc et d'acier de dimensions appropriées et refroidir le ballon à partir de la température ambiante à <4 ° C dans un bain d'eau glacée.
  3. Désoxygéner le ballon pendant 30 minutes en faisant barboter de l'azote directement dans le mélange réactionnel à travers une aiguille de 21 G (0,8 mm x 120 mm) avec une seconde aiguille de 21 G (0,8 mm x 38 mm) agissant comme un évent.
  4. Placer le ballon dans un bain d'huile à 70 ° C pendant 5,5 h avant la trempe de la polymérisation par immersion dans un bain d'eau glacée et d'exposer le contenu à l'air.
  5. Retirez le MeCN par agitation sous acflux ontinuous d'air comprimé et re-dissoudre le mélange brut dans ~ 40 ml de tétrahydrofuranne (THF).
  6. Ajouter le contenu du flacon goutte à goutte 400 ml d'un mélange rapidement agité de l'essence de pétrole (Eb 40-60 ° C) et d'éther diéthylique (70:30, v / v) et continuer à mélanger jusqu'à ce que le surnageant soit plus trouble.
    Remarque: Le refroidissement dans un bain de glace peut être utilisé pour accélérer le processus de précipitation.
  7. Décanter le surnageant et on re-dissout le résidu de polymère dans ~ 40 ml de THF.
  8. Répétez le processus de précipitation (étapes 1,5-1,7) au moins deux fois de plus pour assurer l'élimination complète du monomère résiduel OEGMA. Éliminer le solvant en excès de la POEGMA purifié macro-CTA tout d'abord par agitation sous un courant continu d'air comprimé et d'un séchage dans une étuve sous vide (20 ° C, 10 mbar) pendant 4 heures.
  9. Déterminer la masse moléculaire moyenne en nombre de la macro-CTA POEGMA par résonance magnétique nucléaire (RMN) (M, RMN) en utilisant un procédé précédemment rapporté 15. En utilisant la Chromatographie par permeation de gel 15 (GPC) ( le diméthylacétamide en tant que phase mobile et des normes appropriées pour le calibrage) calcule la polydispersité du polymère (D).
    Note: Utilisation de la synthèse ci - dessus (étapes 1,1-1,8) devrait donner un POEGMA macro-CTA avec M n, RMN = 9.000, et Ð <1,15. Si le poids moléculaire (et dispersité) de la POEGMA macro-CTA synthétisé diffère de la synthèse présentée ici (entre 7000 - 1000 g / mol), la formation de micelles vermiculaires (comme indiqué par gélification in situ) peut encore se produire à l' aide la méthodologie ultérieure PISA présentée dans (section 2) mais à un temps de réaction légèrement modifié.

2. Préparation de POEGMA- b -PBzMA Nanoparticules Utilisation de PISA

  1. Préparer un ml de solution 1 mg / stock de Ru (bpy) 3 Cl 2. 6H 2 O dans de l' éthanol (EtOH). Conserver la solution mère dans le réfrigérateur pour minimiser l'évaporation du solvant.
  2. Branchez une pipette Pasteur avec un petit tampon de laine de coton à l'aide d'une seconde pipette pour aider à emballer hermétiquement. Verser de l'oxyde d'aluminium basique dans la pipette avec le tampon de laine de coton pour obtenir une colonne de 5 cm environ. Enlever l'inhibiteur de l'hydroquinone dans le monométhyléther commercial par passage BzMA ~ 3 ml de BzMA à travers la colonne et à recueillir l'éluant BzMA deinhibited.
  3. Ajouter POEGMA macroCTA (~ 9000 g / mol; 76,9 mg, 8,5 x 10 -6 mol)., Deinhibited BzMA (0,301 g, 1,71 x 10 ~ 3 mole), Ru (en bpy) 3 Cl 2 6H 2 O (128 ug, 1,71 × 10 -7 mol, 128 ul d'une / ml de solution mère éthanolique à 1 mg), 0,383 ml de MeCN et 1,402 ml EtOH (1.913 ml de solvant au total, 80% en poids, 20% v / v de MeCN) à un flacon de 4 ml en verre .
  4. Effectuez la procédure de désoxygénation comme indiqué dans les étapes 1,2-1,3.
  5. Placer le flacon dans un bécher 2000 ml en verre (Figure 2) bordée de bandes de LED bleues (λ max = 460nm, 0,7 mW / cm 2) et irradier à la température ambiante sous agitation magnétique. Surveiller le flacon de réaction régulièrement après 20 h et le retirer du réacteur lorsque la solution à haute viscosité forme un gel permanent libre lorsque le flacon est inversé (figure 3).
    Remarque: Le temps total pour obtenir un gel autonome devrait être d'environ 24 heures d'irradiation de la lumière bleue en utilisant les conditions présentées ici. De petites différences dans les réacteurs d'irradiation de lumière (dimensions physiques, intensité, etc.) peuvent nécessiter des conditions légèrement modifiées ( en particulier le temps de réaction) pour obtenir la formation in situ de micelles vermiformes.
  6. Après avoir enlevé du réacteur, étancher la polymérisation en exposant le gel de nanoparticule à l'air pendant quelques minutes et le stockage du flacon fermé en position verticale dans l'obscurité.

3. microscopie électronique à transmission (TEM) Imagerie de Nanoparticules Morphologie

  1. Placez environ 40 mg du nanopa brutgel de rticle (de la section 2) dans un flacon de 4 ml en verre.
  2. agiter en continu le gel de nanoparticules en utilisant un mélangeur à vortex et on ajoute 4 ml d'EtOH goutte à goutte sur une période d'au moins 5 min. Le gel doit devenir une solution à écoulement libre pendant l'addition de solvant.
    Remarque: Si le gel est dilué avec EtOH trop rapidement agité de manière adéquate ou non, une certaine précipitation des nanoparticules peut se produire. Voir l'étape 3.3.
  3. Retirez tous les agrégats macroscopiques des nanoparticules dilué par filtration à travers la laine de verre.
  4. Effectuer une imagerie MET (avec de l' acétate d'uranyle coloration) de l'échantillon dilué selon un mode opératoire indiqué précédemment. 15

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Résultats

Dans cette étude, le protocole de polymérisation en deux étapes est utilisée pour la synthèse de micelles vermiformes en utilisant une approche PISA (Figure 1). Dans la première étape, la polymérisation est effectuée OEGMA ce qui donne un POEGMA macro-DEC qui peut être utilisé comme stabilisant dans l'étape de polymérisation subséquente. La polymérisation se déroule en PET RAFT, dans des conditions de dispersion à cause de l'insolubilité dans l'éthanol PBzMA ...

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Discussion

Ce protocole visualisé démontre la capacité de surveiller la formation de micelles vermiformes simplement en observant l'apparition d'un comportement analogue à un gel. L'utilité de cette approche réside dans la capacité à contrôler la formation de vis sans fin au cours de la polymérisation, par comparaison avec d'autres méthodes. Cette procédure peut être effectuée en utilisant une polymérisation en deux étapes de deux monomères disponibles dans le commerce et OEGMA (BzMA) pour donner POEGMA- b...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

CB est reconnaissant pour sa future bourse du Conseil australien de la recherche (ARC-FT12010096) et de l’UNSW Australie.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Acide 4-Cyano-4-
(phénylcarbonothioylthio)pentanoïque (CPADB)		Sigma-Aldrich722995-5G
Méthacrylate d’oligo(éthylène glycol)Éther méthylique (OEGMA)Sigma-Aldrich447935-500MLMn 300, contient 100  ; ppm MEHQ comme inhibiteur, 300  ; ppm BHT comme inhibiteur
2,2&prime ;-Azobis(2-méthylpropionitrile) (AIBN)Sigma-Aldrich
Ru(bpy)3Cl2.6H2OSigma-Aldrich544981-1G
Méthacrylate de benzyle (BzMA)Sigma-Aldrich409448-1LContient de l’éther monométhylique hydroquinone comme inhibiteur
Oxyde d’aluminium ( base)Chem-Supply Pty Ltd AustralieAL08371000
95 % d’éthanol (EtOH)Sucrogen Bio Ethanol80889
Acétonitrile (MeCN)Chem-Supply Pty Ltd AustralieRP1005-G2.5L
Tétrahydrofurane (THF)Chem-Supply Pty Ltd AustralieTA011-2.5L
Petroleum Spirits (40-60  ; ° ; c)Chem-Supply Pty Ltd AustraliePA044-2.5L
Éther diéthyliqueChem-Supply Pty Ltd AustralieEA0362.5L
Diméthylacétamide (DMAc)VWR International AustralieALFA22916. M1Pour l’analyse GPC
Pipettes Pasteur (230  ; mm)Labtek355.050.503
Béchers en verreLabtek025.01.902 (2L)/ 2110654 (1L)2  ; Le bécher en L permet de fixer des bandes LED pour former le réacteur circulaire
Bande LED commercialeEcoLabn/a&lambda ; = 460 nm, 4,8 W/m
4 ml Flacons en verreLabtekAPC502214B
0,9 ml Cuvette en quartzStarna Scientific Ltd21/Q/2
Aiguille (0,8 mm x 38  ; mm)Beckton Dickson302017Pour les réactions désoxygénantes
Aiguille (0,8 mm x 120  ; mm)B Braun Australia4665643Pour les réactions désoxygénantes
Sleeve stopper septa (septum en caoutchouc)Sigma-Aldrichz564680/z564702
Agitateur de plaques chauffantesVWR International Australia/In Vitro Technologies97018-488/RADRR91200
Mélangeur vortexVWR International Australia412-0098
Four à videIn Vitro TechnologiesMEMVO200

Références

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  16. Xu, J., Jung, K., Corrigan, N. A., Boyer, C. Aqueous photoinduced living/controlled polymerization: tailoring for bioconjugation. Chem. Sci. 5 (9), 3568-3575 (2014).
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