Articolo metodologico

Sintesi di Poly ( N -isopropylacrylamide) Janus Microhydrogels per anisotropico Thermo-reattività e organofile / idrofilo Caricamento Capability

DOI:

10.3791/52813

⸱

27 febbraio 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)

In questo articolo

Sommario

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

Presentiamo un protocollo per sintetizzare microidrogel Janus composti interamente dallo stesso materiale di base, poli(N-isopropilacrilammide) (PNIPAAm), con una struttura chiaramente compartimentata basata sulla separazione di fase di una soluzione monomerica NIPAAm supersatura. I microidrogel Janus sintetizzati mostrano proprietà uniche come la termoreattività anisotropa e la capacità di carico organofilo/idrofilo.

Abstract

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Le microparticelle di Giano sono particelle compartimentate con strutture molecolari e/o funzionalità diverse su ciascuno dei loro due lati. Grazie a questa proprietà unica, le microparticelle Janus sono state riconosciute come una nuova classe di materiali, attirando così una grande attenzione da vari campi di ricerca. La versatilità di queste microparticelle è stata esemplificata attraverso il loro utilizzo come elementi costitutivi per l'autoassemblaggio, attuatori elettricamente reattivi, emulsionanti per vernici e cosmetici e vettori per la somministrazione di farmaci. Questo studio introduce un protocollo dettagliato che descrive esplicitamente un metodo sintetico per la progettazione di nuovi microidrogel Janus composti da un unico materiale di base, la poli(N-isopropilacrilammide) (PNIPAAm). Le microgoccioline Janus vengono inizialmente generate tramite un dispositivo microfluidico a focalizzazione idrodinamica (HFMD) basato sulla separazione di una soluzione acquosa di monomero NIPAAm supersaturo e successivamente polimerizzate attraverso l'esposizione all'irradiazione UV. Si è scoperto che i microidrogel Janus risultanti erano interamente composti dallo stesso materiale di base, presentavano una morfologia compartimentalizzata facilmente identificabile e mostravano una termoreattività anisotropa e una capacità di carico organofilo/idrofilo. Riteniamo che il metodo proposto introduca una nuova piattaforma di idrogel con il potenziale per la sintesi avanzata di microidrogel Janus multifunzionali.

Introduzione

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Gli idrogel sono una rete di catene polimeriche idrofile. 1 Una crescente quantità di ricerche nel campo degli idrogel ha promosso progressi significativi e ha rivelato la loro somiglianza con i tessuti biologici; Le proprietà degli idrogel consentono l'assorbimento di grandi quantità di acqua mantenendo la loro struttura. Anche gli idrogel sensibili all'ambiente sono stati ampiamente studiati a causa della loro capacità di gonfiarsi o restringersi in modo reversibile in risposta a stimoli esterni. 2 Diversi fattori scatenanti, tra cui temperatura,3-5 pH,6,7 luce,8,9 campi elettrici,10,11 e molecole specifiche, come il glucosio,12,13 sono stati suggeriti per controllare la forma geometrica degli idrogel. Tra i molti idrogel sensibili all'ambiente attualmente disponibili, il poli(N-isopropilacrilammide) (PNIPAAm), un noto idrogel termoreattivo, mostra un restringimento di volume al di sopra di una bassa temperatura critica della soluzione (LCST) di 32 °C.14 Un recente studio di Sasaki et al. 15 hanno riportato l'intrigante separazione di fase liquido-liquido di NIPAAm supersaturo, che è il monomero di PNIPAAm. Secondo questo rapporto, il NIPAAm supersaturo è stato disciolto con un eccesso molare di 10 volte di H2O e, subito dopo, la soluzione si è separata in due fasi liquide quando consente di riposare a una temperatura superiore a 25 °C; al contrario, il NIPAAm diluito è stato disciolto in modo omogeneo nelle stesse condizioni.

Le microparticelle fatte di idrogel sensibili all'ambiente sono candidati affascinanti per l'applicazione nella somministrazione di farmaci,16,17 catalisi,18 rilevamento,19,20 e fotonica. 21 I metodi sintetici tradizionali, compresa la polimerizzazione in emulsione, vengono utilizzati per produrre microparticelle di idrogel con polidispersione. 22,23 Tuttavia, alcune applicazioni richiedono microparticelle con una distribuzione dimensionale stretta, ad esempio, per stabilizzare la farmacocinetica della somministrazione dei farmaci. 24 Microparticelle emboliche di forma irregolare o polidisperse si aggregano prossimalmente in cluster, portando a risposte infiammatorie croniche nelle particelle emboliche per il trattamento terapeutico del cancro. 25,26

L'approccio microfluidico è in prima linea nella ricerca come mezzo per fabbricare particelle di dimensioni micro con distribuzioni dimensionali strette e forme complesse. 27-31 I vantaggi della fabbricazione di microparticelle nel dispositivo microfluidico sono predicati dalla piccola lunghezza caratteristica del dispositivo microfluidico, che si traduce in un basso numero di Reynolds. A differenza della tradizionale emulsione di massa, in cui le gocce si formano in parallelo, le microgoccioline prodotte nei dispositivi microfluidici vengono generate in serie e successivamente polimerizzate in microparticelle dopo l'esposizione all'irradiazione UV. Il principio fondamentale della formazione di goccioline utilizzando un dispositivo microfluidico è l'equilibrio tra la tensione interfacciale e la forza di taglio del fluido della guaina che agisce sul fluido centrale.

Nonostante gli evidenti vantaggi della fabbricazione microfluidica di goccioline/particelle, le goccioline/particelle di Janus costituite dallo stesso materiale di base sono raramente riportate perché la morfologia interna di queste goccioline/particelle è generalmente disturbata dalla diffusione e dalla perturbazione dei fluidi del nucleo. Per aggirare questa limitazione intrinseca, due gruppi hanno recentemente riportato la preparazione delle microparticelle Janus impiegando la separazione di fase indotta dal calore di nanoparticelle colloidali e la separazione di fase diretta dai raggi UV. 32,33

A tal fine, riportiamo un approccio microfluidico per sintetizzare i microidrogel di Janus interamente composti da un unico materiale di base e ottenere un prodotto con morfologia chiaramente compartimentata. Il nostro approccio si basa sul concetto primario della separazione di fase liquido-liquido del monomero NIPAAm supersaturo. Si è scoperto che i microidrogel Janus risultanti possiedono proprietà uniche, tra cui la termoreattività anisotropa e la capacità di carico organofilo/idrofilo.

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Protocollo

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1. Realizzazione di uno stampo master per la focalizzazione idrodinamica dispositivo a microfluidi (HFMD) attraverso la fotolitografia

  1. Progettare una fotomaschera per il HFMD (Figura 1a) utilizzando il software di progettazione assistita da computer (CAD) secondo il protocollo del produttore.
  2. Risciacquare una fetta 4 'silicio con acetone, alcol isopropilico (IPA), e acqua deionizzata (DI) per rimuovere la polvere organica e inorganica dal wafer.
  3. Pulire il wafer di silicio con O 2 al plasma a 100 W di potenza per 5 minuti per aumentare la forza di legame tra il wafer e SU-8.
  4. Spin-coat 4 ml del fotoresist negativo, SU-8 2150, sul wafer a 3.000 rpm per 30 sec per ottenere uno spessore di 150 micron (b1 nella Figura 1b).
  5. Posizionare il wafer rivestito SU-8 su una piastra per 5 min a 65 ° C, impostare la temperatura a 95 ° C, quindi lasciare il wafer sulla piastra per 30 minuti per cuocere morbido.
  6. Posiziona ilprogettata photomask sopra il wafer ed esporre alla luce UV (260 mJ cm -2, 26 sec per 10 mW cm -2) in un allineatore maschera (b2 nella Figura 1b).
  7. Eseguire post-esposizione cottura su una piastra (65 ° C per 5 minuti e poi 95 ° C per 12 min).
  8. Sviluppare il wafer mediante immersione in un bagno di sviluppo SU-8 per 10 minuti, e poi trasferisce in sviluppatore fresco per 5 secondi per ottenere una superficie pulita.
  9. Lavare il wafer per 20 secondi con acqua deionizzata e asciugare per 10 sec con N 2 gas (b3 in figura 1b). Utilizzare il wafer fabbricati come uno stampo master per polidimetilsilossano (PDMS) fusione nella sezione 2.

2. Realizzazione della HFMD attraverso PDMS Casting

  1. Utilizzare il wafer modellato ottenuto nella sezione 1, come lo stampo PDMS master per fusione.
  2. Mescolare il PDMS pre-polimero e un agente indurente omogeneamente in un rapporto in peso di 10: 1; per esempio, usare 1 g di induritore per 10 g di PDMS pre-polimeri eER.
  3. Versare il PDMS pre-polimero nello stampo master e degassare per 1 ora in una camera a vuoto (b4 nella Figura 1b).
  4. Posizionare lo stampo master con il PDMS pre-polimero in un forno a 65 ° C per 3 ore.
  5. Tagliare il PDMS vulcanizzati nella dimensione di un singolo chip utilizzando un bisturi affilato. sbucciare con cautela la replica PDMS curato dallo stampo maestro a mano.
  6. Ripetere i punti da 2.2 a 2.5 per ottenere un identico PDMS replica.
  7. Punzone ingresso e uscita fori in una delle repliche utilizzando un foro-perforatore con un diametro leggermente inferiore al diametro esterno del tubo di collegamento.
  8. Applicare trattamento al plasma aria alla zona di incollaggio di ciascuna replica con un trattamento corona. 34
    Attenzione: Utilizzare il trattamento corona in una zona con una buona ventilazione per evitare l'accumulo di ozono.
  9. Goccia 5 ml di metanolo sulle zone plasma trattati aria. Finemente allineare due PDMS identici repliche per fabbricare la HFMD per mano alla manipolazione mento, e verificare l'allineamento tramite un microscopio (b5 nella figura 1b).
    Nota: il plasma trattato con repliche PDMS aria sono piuttosto appiccicoso e difficile da manipolare. Così, 5 ml di metanolo vengono aggiunti alla superficie plasma aria trattata per funzionare come lubrificante.
  10. Posizionare il HFMD in forno a 65 ° C per una notte per rafforzare il legame tra due repliche PDMS (b6 nella Figura 1b). Legame due identiche PDMS repliche per aumentare l'altezza del microcanale del HFMD ed evitare l'intasamento del microgoccioline nel canale microfluidico durante il funzionamento.

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Figura 1: Panoramica sulla procedura di HFMD Fabrication (a) i parametri di progettazione del fotomaschera per la HFMD.. (B) Illustrazione del procedimento di fabbricazione per la HFMD.ftp_upload / 52813 / 52813fig1large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

3. Preparazione di NIPAAm-ricchi (N-ricchi) e NIPAAm-poveri (N-poveri) Fasi di fase di separazione di Supersaturated NIPAAm

  1. Sciogliere NIPAAm monomero in acqua deionizzata con rapporto p / w di 1: 1 utilizzando un vortex; per esempio, sciogliere 10 g di NIPAAm in 10 ml di acqua deionizzata (prima immagine di figura 2a).
    Nota: Una volta che il monomero NIPAAm è completamente sciolto a temperatura ambiente, la soluzione appare torbida (seconda immagine di figura 2a). Questo fenomeno è il primo cue è verificato con successo che solubilità indotta fase di separazione del sovrasatura monomero NIPAAm.
  2. Lasciare la soluzione monomero di riposare in posizione verticale a temperatura ambiente per almeno 15 min. La fase superiore è la fase N-ricco, e la fase più densa inferiore è la fase di N-poveri (terza immagine di figura 2a). Le densità dei thfasi e N-ricchi e N-poveri sono 0,93 ± 0,01 e 0,99 ± 0,01 g cm -3, rispettivamente. 15
  3. Quando l'interfaccia che separa le due fasi diventa chiaro, estrarre con attenzione 2 ml di soluzione di monomero dalle fasi N-ricchi e N-poveri senza disturbare questa interfaccia utilizzando una pipetta.
  4. Aggiungere 4 mg di N, N '-methylenebisacrylamide (MBAAm) come reticolante e 4 mg di 4- (2-idrossietossi) fenil (2-idrossi-2-propil) chetone come fotoiniziatore alla estratta N-ricco e N -poor soluzioni monomero per preparare fluidi di base 1 e 2 per la bassa concentrazione di reticolante (2 mg ml -1) del campione (B1 e B2 nella Figura 2b).
  5. Ripetere precedente Fase 3.3 e aggiungere 80 mg di MBAAm e 4 mg di 4- (2-idrossietossi) fenil (2-idrossi-2-propil) chetone in ciascun estratto soluzione N-ricco e N-poveri monomero per preparare fluidi di base 1 e 2 per l'alta concentrazione di reticolante (40 mg ml -1) del campione (b3 e b4 in Figure 2b).
  6. Sciogliere 10% in peso di tensioattivo olio in olio minerale per preparare il liquido guaina (b5 nella Figura 2b).

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Figura 2:. Preparazione dei Materiali per Janus Microhydrogel Synthesis (a) Preparazione di soluzioni N-ricchi e N-poveri monomero mediante separazione di fase di supersaturated NIPAAm. (B) i dettagli dei materiali e setup sperimentale utilizzato nel protocollo. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

4. Sintesi di Giano Microhydrogels Uso del HFMD

  1. Carico 2 ml di fluidi fondamentali 1 e 2 (b1, b2 B3 o, b4 in Fi gura 2b) e il liquido guaina (b5 nella Figura 2b) in tre separati 3 ml siringhe.
    2. Montare le siringhe nelle pompe a siringa e collegare ciascuna siringa all'ingresso del fluido appropriato del HFMD utilizzano tubi (figura (b). Usare tubo per collegare l'uscita del fluido della HFMD ad un serbatoio di raccolta.
  2. Impostare le pompe siringa e infondere fluidi di base 1 e 2 e del liquido guaina a portate di 2, 2, e 10 min -1 ml, rispettivamente.
  3. (Opzionale) Tune la portata di fluidi fondamentali 1 e 2 per regolare i rapporti volumetrici relative di ciascun lato del microdroplet Janus.
  4. Posizionare la sorgente di luce UV perpendicolarmente a circa 1 cm dal serbatoio di raccolta. Accendere la sorgente di luce UV e monitorare visivamente la produzione continua di microhydrogels Janus.
    Attenzione: L'uso UV di protezione-occhiali durante il monitoraggio della produzione microhydrogel.
  5. Raccogliere le microhydrogels Janus fabbricate in un tubo conico e lavare utilizzando IPA. Poi, centrifugare il tubo conico (780 g per 5 minuti) per risolvere lamicrohydrogels.
  6. Ripetere il punto 4.6 più volte per rimuovere l'olio minerale che circonda completamente il microhydrogels Janus.
  7. Ripetere il punto 4.6 ma usare acqua DI con un tensioattivo acqua 0,005% (v / v) invece di IPA per rimuovere il residuo IPA intorno alle microhydrogels Janus.
  8. Conservare microhydrogels Janus completamente lavati in un flaconcino da 10 ml di acqua contenente DI.

5. Analisi della anisotropico Thermo-reattività di Giano Microhydrogels

  1. Utilizzare una pipetta per posizionare microhydrogels Janus sintetizzati dalla sezione 4 in una piastra da 24 pozzetti. Lasciare le microhydrogels di stabilirsi per 15 sec fino ad un monostrato viene formato sulla superficie inferiore del pozzetto.
  2. Ottenere un'immagine del microhydrogel Janus a 24 ° C utilizzando un microscopio ottico verticale con una lente obiettivo 5X.
  3. Impostare un modulo termoelettrico sotto la piastra bene e controllare la tensione di questo modulo per aumentare la temperatura della soluzione contenente Janus microidrogel a 32 ° C.
  4. Ottenere un'immagine del microhydrogel Janus a 32 ° C una volta utilizzando un microscopio ottico verticale con una lente obiettivo 5X.
  5. Ripetere i punti 5.2-5.4 24 volte, avendo cura di scegliere un diverso microhydrogel Janus per l'analisi statistica.
  6. Dalle 25 immagini di diversi microhydrogels Janus a 24 e 32 ° C, misurare il raggio delle parti PN-ricchi e PN-poveri del microhydrogels Janus utilizzando il software di analisi di immagine in base alle istruzioni del produttore.

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Risultati

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Figura 3a presenta uno schema del setup sperimentale utilizzato per sintetizzare microhydrogels Janus tramite il HFMD. Le fasi N-ricchi e N-poveri sono stati iniettati nel proprio HFMD come fluidi fondamentali 1 e 2 e poi fuse e suddivise in microgoccioline Janus all'orifizio dal fluido di trasporto di olio minerale a causa del capillare instabilità Rayleigh. Di conseguenza, microgoccioline Janus composto di fasi N-ricchi e N-poveri sono stati generati con succe...

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Discussione

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Due materiali di base immiscibili sono generalmente utilizzati per sintetizzare le microhydrogels Janus. Fino a poco tempo, microhydrogels Janus costituiti dello stesso materiale di base sono stati segnalati raramente e le microhydrogels Janus riportati non hanno una chiara morfologia interna a causa del disturbo causato dal miscibilità dei materiali che lo compongono. 35, 36 In questo protocollo, dimostriamo un metodo per sintetizzare microhydrogels Janus interamente composti da materiale di base singola, PN...

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Dichiarazioni

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Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è stato supportato dalla sovvenzione della National Research Foundation of Korea (NRF) finanziata dal governo coreano (MSIP (Nos. 2014R1A2A1A01006527 e 2011-0030075).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Wafer di silicioLG Siltron4",Wafer di prova per la fabbricazione di stampi master
AcetoneSamchun Pure ChemicalA0097Pulizia wafer di silicio
Alcool isopropilico (IPA)Daejung Chemicals & Metalli5035-4404Pulizia wafer di silicio
Sistema di purificazione dell'acquaMerck MilliporeEMD Millipore RIOs Essential 5Preparazione di acqua deionizzata
O2 macchina al plasmaFemto ScienceVITA-APulizia wafer di silicio
SU-8 2150MicroChemY111077 0500L1GLPhotoresist per la fabbricazione di stampi master
Piastra riscaldanteMisung ScientificHP330D, HP150DCottura SU-8
Sviluppatore SU-8MicrochemY020100 4000L1PESviluppo SU-8
Maschera sistema di allineamento per fotolitografiaShinu Mst Co.CA-6MFotolitografia
Sylgard 184 kit di elastomeri siliconiciDow Corning1064891PDMS colata
Laboratorio Trattamento coronaElectro-technic Products Inc.Modello BD-20ACPDMS trattamento al plasma ad aria 
N-isopropilacrilammide (NIPAAm)Sigma-Aldrich415324-50GMonomer
N,N'-metilenbisacrilammide (MBAAm)Sigma-Aldrich146072-100Greticolante di NIPAAm
4-(2-idrossietossi)fenil-(2-idrossi-2-propil)chetone, Irgacure 2959BASF55047962Fotoiniziatore di NIPAAm
ABIL EM 90Evonik Industrie201109Tensioattivo per olio
Miscelatore a vorticeScientific Industries Inc.Vortex-Genie 2Miscelazione
Tygon TuboSaint-GobainI.D. 1/32", O.D. 3/32", Parete 1/32"Tubo di collegamento tra siringhe e HFMD
Sorgente di luce UVHamamatsuSpot Sorgente luminosa LC8Polimerizzazione da NIPAAm a PNIPAAm
Siringhe, NORM-JECT (3 ml)Henke-Sass Wolf GmbH22767Caricamento dei materiali
Pompa a siringaKD ScientificKDS modello 200Perfusione di materiali
Tegitol Tipo NP-10Sigma-AldrichNP10-500MLTensioattivo per acqua
Olio rosso OSigma-AldrichO0625-25GColorante per fase ricca di N
Olio Blu NSigma-Aldrich391557-5GColorante per fase ricca di N
Colorante alimentare gialloEdentown F& BNAColorante per la fase N-povera
Colorante alimentare verdeEdentown F& BNAColorante per fase N-povera
AlimentazioneAgilentE3649AFonte di alimentazione per modulo termoelettrico
Modulo termoelettricoPeltierFALC1-12710T125Controllo della temperatura
CentrifugaLabogene1248RSedimentazione di microidrogel
Piastra a 24 pozzettiSPL Life Sciences32024Serbatoio per l'osservazione
Microscopio otticoNikonECLIPSE 80iOsservazione ottica
Software di analisi delle immaginiIMT i-Solution Inc.iSolutions DTMisurazione del raggio

Riferimenti

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