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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Un protocole pour la synthèse et la caractérisation de monocouches de structure métallo-organique auto-assemblées est fourni à l’aide de cristaux de structure métallo-organique (MOF) greffés de polymères. La procédure montre que les particules de MOF greffées de polymère peuvent être auto-assemblées à une interface air-eau, ce qui donne des structures monocouches bien formées, autoportantes, comme en témoigne l’imagerie par microscopie électronique à balayage.
Les cadres métallo-organiques (MOF) sont des matériaux ayant des applications potentielles dans des domaines tels que l’adsorption et la séparation de gaz, la catalyse et la biomédecine. Les tentatives visant à améliorer l’utilité des MOF ont impliqué la préparation de divers composites, y compris des MOF greffés à des polymères. En greffant directement des polymères sur la surface externe des MOF, les problèmes d’incompatibilité entre les polymères et les MOF peuvent être surmontés. Les brosses polymères greffées à la surface des MOF peuvent servir à stabiliser le MOF tout en permettant l’assemblage de particules en monocouches de cadre métallo-organique (SAMM) auto-assemblées via des interactions polymère-polymère.
Le contrôle de la composition chimique et du poids moléculaire du polymère greffé peut permettre d’ajuster les caractéristiques SAMM. Dans ce travail, des instructions sont fournies sur la façon d’immobiliser un agent de transfert en chaîne (CTA) sur la surface du MOF UiO-66 (UiO = Universitetet i Oslo). Le CTA sert de sites d’initiation pour la croissance des polymères. Une fois que les chaînes polymères sont développées à partir de la surface du MOF, la formation de SAMM est obtenue par auto-assemblage à une interface air-eau. Les SAMM résultants sont caractérisés et démontrés comme étant autonomes par imagerie par microscopie électronique à balayage. Les méthodes présentées dans cet article devraient rendre la préparation des SAMM plus accessible à la communauté des chercheurs et ainsi élargir leur utilisation potentielle en tant que composite MOF-polymère.
Les cadres métallo-organiques (MOF) sont des matériaux cristallins et poreux qui offrent de grandes surfaces tout en étant facilement accordables par des modifications des ligands organiques ou des nœuds métalliques 1,2. Les MOF sont construits à partir de deux composants : un ligand organique et des ions métalliques (ou amas d’ions métalliques appelés unités de construction secondaires). Les MOF ont été étudiés pour le stockage de produits chimiques (par exemple, les gaz), les séparations, la catalyse, la détection et l’administration de médicaments. Généralement, les MOF sont synthétisés sous forme de poudres cristallines ; Cependant, pour faciliter la manipulation dans de nombreuses applications, la formulation dans d’autres facteurs de forme est souhaitable si elle n’est pas nécessaire 3,4. Par exemple, les membranes à matrice mixte (MMM) de MOF avec des polymères ont été signalées comme un composite particulièrement utile de MOF et de polymères5. Cependant, dans certains cas, les MMM peuvent avoir des limites en raison de l’incompatibilité/immiscibilité entre le MOF et les composants polymères 5,6. Par conséquent, des stratégies ont été explorées pour incorporer la greffe de polymère directement sur les particules de MOF pour former des MOF greffés de polymère.
Les nanoparticules inorganiques et métalliques présentent un comportement unique en termes de propriétés optiques, magnétiques, catalytiques et mécaniques 7,8. Cependant, ils ont tendance à s’agréger facilement après la synthèse, ce qui peut entraver leur aptitude au traitement. Pour améliorer leur aptitude au traitement, des chaînes de polymères peuvent être greffées sur la surface des particules9. Les nanoparticules à haute densité de greffage offrent une excellente dispersion et stabilité en raison des interactions enthalpiques favorables entre les polymères de surface et les interactions solvant et répulsion entropique entre les particules10. La greffe de polymères sur des surfaces de particules peut être réalisée par diverses stratégies11. L’approche la plus simple est la stratégie de « greffage » de particules, où des groupes fonctionnels, tels que les thiols ou les acides carboxyliques, sont introduits aux extrémités des chaînes polymères pour se lier directement à la nanoparticule. Lorsque des groupes chimiques complémentaires, tels que des hydroxyles ou des époxydes, sont présents à la surface des particules, des chaînes polymères peuvent être greffées sur ces groupes par des approches chimiques covalentes12,13. La méthode de polymérisation initiée par la surface consiste à ancrer des initiateurs ou des agents de transfert de chaîne (CTA) à la surface de nanoparticules, puis à faire croître des chaînes de polymères à la surface de la particule par polymérisation initiée en surface. Cette méthode permet souvent d’obtenir une densité de greffage plus élevée que l’approche « greffage à ». De plus, le greffage permet la synthèse de copolymères séquencés, élargissant ainsi la diversité des structures polymères qui peuvent être immobilisées à la surface d’une particule.
Des exemples de greffe de polymère sur des particules de MOF ont commencé à émerger, principalement axés sur l’installation de sites de polymérisation sur les ligands organiques du MOF. Dans une étude récente publiée par Shojaei et ses collègues, des groupes vinyle ont été attachés de manière covalente aux ligands du MOF UiO-66-NH2 à base de Zr(IV) (UiO = Universitetet i Oslo, où le ligand de l’acide téréphtalique contient un substituant aminé), suivi d’une polymérisation au méthacrylate de méthyle (MMA) pour créer des MOF greffés de polymère avec une densité de greffage élevée (Figure 1A)14. De même, Matzger et ses collègues ont fonctionnalisé les groupes amines sur des particules MOF-5 (alias IRMOF-3@MOF-5) avec des groupes 2-bromo-iso-butyle. En utilisant la polymérisation initiée par les groupes 2-bromo-iso-butyle, ils ont créé du PMMA@IRMOF-3@MOF-515 greffé de poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA).
En plus de fonctionnaliser le ligand du MOF pour le greffage à partir de la polymérisation, de nouvelles méthodes qui créent des sites pour la greffe de polymère via la coordination avec les centres métalliques (alias SBU) du MOF ont également été explorées. Par exemple, un ligand qui peut se lier aux centres métalliques du MOF, tel que le catéchol (Figure 1B), peut être utilisé pour se coordonner avec les sites métalliques exposés à la surface du MOF. À l’aide d’un agent de transfert en chaîne fonctionnalisé par catéchol (cat-CTA, Figure 1B), la surface du MOF peut être fonctionnalisée et rendue apte à un greffage par polymérisation.
Récemment, la stratégie susmentionnée de synthèse des composites MOF-polymère a également été utilisée pour la création de monocouches MOF autonomes 16,17,18. Des MOF tels que UiO-66 et MIL-88B-NH2 (MIL = Materials of Institute Lavoisier) ont été fonctionnalisés en surface avec pMMA à l’aide d’une stratégie ligand-CTA (Figure 1B). Les particules de MOF greffées de polymères ont été auto-assemblées à une interface air-eau pour former des monocouches de cadre métallo-organique (SAMM) autoportantes et auto-assemblées d’une épaisseur de ~250 nm. La teneur en polymères de ces composites était de ~20 % en poids, ce qui indique que les SAMM contenaient une charge de ~80 % en poids de MOF. Des études de suivi ont montré que différents polymères vinyliques pouvaient être greffés sur UiO-66 pour produire des SAMM avec des caractéristiques différentes19. Des techniques analytiques telles que l’analyse thermogravimétrique (TGA), la diffusion dynamique de la lumière (DLS) et la chromatographie par perméation de gel (GPC) ont été utilisées pour calculer la hauteur de la brosse polymère et la densité de greffage des composites MOF-polymère greffés en surface.
Ici, la préparation de SAMM à partir d’UiO-66-pMA (pMA = poly(acrylate de méthyle)) est présentée. Pour la polymérisation de l’acrylate de méthyle (MA), l’acide 2-(dodécylthiocarbonothioylthio)-2-méthylpropionique (DDMAT, figure 1B) est utilisé comme CTA19. La fonctionnalisation des particules d’UiO-66 avec cat-DDMAT est essentielle pour la greffe de pMA. Le Cat-DDMAT peut être synthétisé par une procédure d’acylation en deux étapes à partir d’un CTA disponible dans le commerce et d’un chlorhydrate de dopamine19. Il est également crucial d’utiliser des particules UiO-66 de taille uniforme pour la formation réussie de SAMMs19 ; par conséquent, l’UiO-66 utilisé dans cette étude a été préparé à l’aide de la méthode d’addition continue20. La méthode de polymérisation utilisée pour former les particules de MOF greffées de polymère est le transfert de chaîne d’addition-fragmentation réversible photoinduit (RAFT) effectué sous une lumière LED bleue (à l’aide d’un photoréacteur construit en interne, Figure 2) avec un photocatalyseur tris(2-phénylpyridine)iridium (Ir(ppy)3). La polymérisation RAFT donne une dispersion de polymère exceptionnellement étroite qui peut être finement contrôlée. Le CTA libre est inclus pendant la réaction de polymérisation car le rapport entre l’agent de transfert et le monomère permet de contrôler le poids moléculaire pendant la polymérisation. La quantité d’agent de transfert de DDMAT cat-à la surface des particules de MOF est faible ; par conséquent, l’excès de CTA libre est ajouté et la quantité de monomère à utiliser est calculée sur la base de la quantité de CTA libre présente21. Après polymérisation, le polymère libre produit à partir du CTA libre est éliminé par lavage, ne laissant que l’UiO-66-pMA greffé au polymère. Par la suite, ce composite est dispersé dans du toluène à une forte concentration et utilisé pour former des SAMM à une interface air-eau.
1. Modification de surface de l’UiO-66 avec cat-DDMAT
2. Polymérisation de l’acrylate de méthyle à partir de l’UiO-66-DDMAT
3. Auto-assemblage des particules
Lorsque les MOF greffés en polymère sont doucement déposés sur l’eau à partir d’une dispersion concentrée de toluène (comme illustré sur la figure 4A), une monocouche se forme en quelques secondes avec un aspect irisé. De plus, l’utilisation d’un moule en fil de cuivre pour soulever cette monocouche et le séchage ultérieur de l’eau obtenue permettent la formation de SAMM autoportants (Figure 4B). Après avoir transféré la monocouche sur une lamelle de microscope en verre et l’avoir séchée, l’imagerie MEB montre des particules auto-assemblées (Figure 5). Sur la figure 5A, les particules forment une monocouche uniforme. La morphologie de l’UiO-66, qui est un octaèdre régulier (lorsqu’il est préparé dans certaines conditions de synthèse), apparaît légèrement plus arrondie en raison de la présence de la brosse polymère. De plus, la plupart des espaces entre les particules ne sont pas ouverts mais remplis de polymère. En observant la périphérie de la monocouche, on peut observer des zones qui peuvent refléter le processus d’auto-assemblage incomplet (Figure 5B), indiquant qu’elles n’ont pas encore complètement formé la monocouche. Au cours de cette étape, on peut noter le polymère étendu qui comble les espaces entre les particules. Lors du transfert de SAMM sur le verre pour les mesures MEB, il peut y avoir des cas où la monocouche est légèrement déplacée. Cependant, dans le cas de SAMM synthétisés avec succès, les particules ne se dispersent pas individuellement mais présentent un facteur de forme similaire à celui d’une membrane pliée (Figure 5C).
En revanche, si les particules de MOF greffées de polymères ne sont pas correctement préparées, des caractéristiques différentes sont observées par les images MEB (Figure 6). Si la dispersion des particules est insuffisante (c’est-à-dire pendant le processus de synthèse et les étapes qui impliquent un vortex ou une sonication), le regroupement des particules sous forme d’agrégats sera observé (figure 6A). En particulier, lors de la préparation de suspensions de particules hautement concentrées pour l’étape finale d’auto-assemblage, une attention particulière est nécessaire pour s’assurer que les particules sont bien dispersées dans une quantité minimale de toluène. De plus, comme le montre la figure 6B,C, les particules peuvent s’agréger en structures multicouches, au lieu des monocouches souhaitées. La génération de multicouches peut se produire en raison de plusieurs facteurs différents. Par exemple, si pendant le processus de polymérisation par greffage, le mélange réactionnel n’est pas suffisamment agité, cela peut entraîner une agrégation irréversible de particules qui ne permet pas la formation de dispersions homogènes dans le toluène. Une autre cause des multicouches est une concentration de particules dans la solution de toluène qui est trop élevée pour être accommodée par la surface d’eau limitée. Pour obtenir des SAMM disposés uniformément, il est essentiel de combiner correctement la taille de la parabole (c’est-à-dire la surface de l’eau exposée) et la concentration en suspension. Par exemple, lors de l’utilisation d’une boîte de Pétri de 60 mm de diamètre, une gouttelette de 10 μL d’une dispersion de 50 mg/mL permet la formation reproductible de SAMM.

Figure 1 : Greffage de polymères sur des particules de MOF. (A) Greffage à partir de la synthèse de ligands organiques de PMMA-g-GMA-UiO-66. (B) Greffe à partir de centres métalliques, synthèse d’UiO-66-pMA et leur auto-assemblage en monocouches MOF. La figure 1A a été adaptée de Molavi et al.14. Abréviations : MOF = Cadre métallo-organique ; GMA = méthacrylate de glycidyle ; UiO = Universitetet i Oslo ; THF = tétrahydrofurane ; DCM = dichlorométhane ; PMMA = poly(méthacrylate de méthyle) ; DDMAT = acide 2-(dodécylthiocarbonothioylthio)-2-méthylpropionique ; pMA = poly(acrylate de méthyle) ; DMSO = diméthylsulfoxyde de sodium. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Cuve de réaction LED construite en interne et doublée de bandes LED bleues. La cuve de réaction a été fabriquée avec (A) un récipient en aluminium de 17 cm de diamètre et (B) une bande lumineuse LED flexible étanche de 12 V. Abréviation : LED = diode électroluminescente. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Photographies de MOF vierges, fonctionnalisés en surface et greffés aux polymères. (A) UiO-66, MOF vierge, dans le méthanol, (B) UiO-66-DDMAT, MOF fonctionnalisé en surface, dans le DMSO, (C) UiO-66-pMA, MOF greffés aux polymères, dans le toluène. Abréviations : MOF = Cadre métallo-organique ; UiO = Universitetet i Oslo ; DDMAT = acide 2-(dodécylthiocarbonothioylthio)-2-méthylpropionique ; pMA = poly(acrylate de méthyle) ; DMSO = diméthylsulfoxyde de sodium. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : Photographies de SAMMs. (A) Des SAMM irisés se sont formés à l’interface air-eau. (B) SAMM autoportants suspendus à un fil de cuivre. Abréviations : MOF = cadres métallo-organiques ; SAMMs = monocouches de cadre métallo-organique auto-assemblées. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5 : Images MEB de SAMMs. (A) Particules disposées uniformément, formant une monocouche. (B) Auto-assemblage incomplet, observé sur les bords de la monocouche formée à l’interface air-eau. (C) Certaines parties bien formées de la monocouche peuvent se plier pendant le processus de transfert de la monocouche sur le verre. Barres d’échelle = 1 μm. Abréviations : SAMMs = monocouches de cadre métallo-organique auto-assemblées ; MEB = microscopie électronique à balayage. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6 : Images MEB de SAMM formés de manière non uniforme. (A) Grappes agrégées. (B) Une structure multicouche non uniforme formée à partir d’une forte agrégation de particules. (C) La présence d’une surface rugueuse due à l’incapacité à former une monocouche uniforme. Abréviations : SAMMs = monocouches de cadre métallo-organique auto-assemblées ; MEB = microscopie électronique à balayage. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 7 : Photographies de MOF digérés à l’aide de HF. (A) UiO-66-pMA dispersé dans le toluène. (B) UiO-66-pMA digéré à l’aide de HF. Abréviations : MOF = cadres métallo-organiques ; HF = acide fluorhydrique ; UiO = Universitetet i Oslo ; pMA = poly(acrylate de méthyle). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.
Un protocole pour la synthèse et la caractérisation de monocouches de structure métallo-organique auto-assemblées est fourni à l’aide de cristaux de structure métallo-organique (MOF) greffés de polymères. La procédure montre que les particules de MOF greffées de polymère peuvent être auto-assemblées à une interface air-eau, ce qui donne des structures monocouches bien formées, autoportantes, comme en témoigne l’imagerie par microscopie électronique à balayage.
M.K. a été soutenu par une subvention de la National Science Foundation, Division of Chemistry au titre du prix No. CHE-2153240. Un soutien supplémentaire pour les matériaux et les fournitures a été fourni par le ministère de l’Énergie, Bureau des sciences énergétiques de base, Division de la science et de l’ingénierie des matériaux sous le numéro d’attribution. DE-FG02-08ER46519. L’imagerie MEB a été réalisée en partie à la San Diego Nano-Technology Infrastructure (SDNI) de l’U.C. San Diego, membre de la National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, soutenue par la National Science Foundation (ECCS-1542148).
| Acide 2-(dodécylthiocarbonothioylthio)-2-méthylpropionique (DDMAT) | Sigma-Aldrich | 723010 | 98% |
| 10 mL Col unique RBF | Chemglass | CG-1506-82 | 14/20 Joint extérieur |
| Acétone | Fisher Chemical | A18-20 | Centrifugeuse |
| Allegra X-30R | de qualité ACSBECKMAN COULTER | B06320 | Capacité maximale de 1,6 L, 18 000 tr/min, 29 756 x g |
| Mélangeur Vortex Analogique | VWR | 10153-838 | 300 - 3 200 tr/min |
| cat-DDMAT | Préparé selon la procédure de la littérature (réf. 17). | ||
| Tube à centrifuger, 50 mL / 15 mL | CORNING | 430291 / 430766 | Fond conique avec bouchon d’étanchéité, polypropylène |
| Chloroforme | Fisher Chemical | AC423550040 | 99,8 |
| Aiguilles conventionnelles | Becton Dickinson | 382903051670 | 21 G x 1 1/2 |
| Fil de cuivre | Malin Co. | N° 30 B & S GAUGE | |
| Dimethyl Sulfoxide (DMSO) | Fisher Bioreagents | BP231-1 | >=99.7 % |
| Pipettes Pasteur jetables | Fisher Scientific | 13-678-20C | Verre borosilicaté |
| Éthanol | KOPTEC | V1001 | 200 proof ethanol |
| Flacon à scintillation en verre, 20 mL | KIMBIL | 74508-20 | |
| Cylindre gradué, 10 mL | KIMBIL | 20024-10 | |
| Aiguilles hypodermiques | Air-Tite | N224 | 22 g x 4'' |
| Méthanol | Fisher Chemical | A412-20 | 99,8 % |
| Acrylate de méthyle | Aldrich Chemistry | M27301 99 | %, contient =< 100 ppm d’éther monométhylique hydroquinone comme inhibiteur |
| Micropipette P10 (1 - 10 µ ; L) | GILSON | F144055M | PIPETMAN, Micropipette à éjection métallique |
| P1000 (100 - 1 000 & micro ; L) | GILSON | F144059M | PIPETMAN, Micropipette à éjection métallique |
| P20 (2 - 20 µ ; L) | GILSON | F144056M | PIPETMAN, |
| Verre de protection de microscope | à éjection métalliqueFisher Scientific | 12542A | 18 mm x 18 mm |
| NN-Dimerhylformamide (DMF) | Fisher Chemical | D119-4 | 99.8 % |
| Boîte de Pétri, Couvercle empilable | Fisher Scientific | FB0875713A | 60 mm x 15 mm |
| Septum Stopper | Chemglass | CG302401 | 14/20 - 14/35 |
| Barre | d’agitation Chemglass | CG-2005T-01 | Magnétique, PTFE, Turbo, Terre rare, Elliptique, 10 x 6mm |
| SuperNuova+ Plaque chauffante | d’agitation | Thermo Scientific SP88857190 | 50 - 1 500 tr/min, 30 - 450 ° ; C |
| Toluène | Fisher Chemical | T324-4 | 99,5 % |
| Tris[2-phénylpyridinato-C2,N]iridium(III) (Ir(ppy)3) | Sigma-Aldrich | 688096 | 97 % |
| UiO-66 (longueur de bord de 120 nm) | Préparé selon la procédure de la littérature (réf. 18). | ||
| Nettoyeur à ultrasons CPX3800H | EMERSON / BRANSON | CPX-952-318R | 40 kHz, 5.7 L |
| Bande lumineuse LED flexible étanche | ALITOVE | ALT-5B300WPBK | 16.4 ft 5050 LED bleue |