Questo articolo descrive un processo per la produzione di nanoparticelle polimeriche autoassemblate utilizzando la polimerizzazione a dispersione mediata dalla luce visibile. L'utilizzo della luce visibile a bassa energia per controllare la polimerizzazione consente la formazione riproducibile di micelle autoassemblate simili a vermi ad alto contenuto di solidi.
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Articolo metodologico
Sintesi facile di micelle vermiforme dalla luce visibile mediata polimerizzazione in dispersione Utilizzando Photoredox Catalyst
In questo articolo
Sommario
Abstract
Qui viene presentato un protocollo per la facile sintesi di micelle simili a vermi mediante polimerizzazione a dispersione mediata dalla luce visibile. Questo approccio inizia con la sintesi di un omopolimero idrofilo poli(oligo(etilenglicole) metil etere metacrilato) (POEGMA) mediante polimerizzazione reversibile RAFT (Addition-Fragmentation Chain-Transfer). In condizioni di lieve irradiazione della luce visibile (λ = 460 nm, 0,7 mW/cm2), questo agente di trasferimento a macro-catena (macro-CTA) in presenza di un catalizzatore fotoredox a base di rutenio, Ru(bpy)3Cl2 può essere esteso a catena con un secondo monomero per formare un copolimero a blocchi ben definito in un processo noto come Photoinduced Electron Transfer RAFT (PET-RAFT). Quando il PET-RAFT viene utilizzato per estendere a catena il POEGMA con il metacrilato di benzile (BzMA) in etanolo (EtOH), si formano in situ nanoparticelle polimeriche con diverse morfologie secondo un meccanismo di autoassemblaggio indotto dalla polimerizzazione (PISA). L'autoassemblaggio in nanoparticelle che presentano catene POEGMA alla corona e catene di poli(benzil metacrilato) (PBzMA) nel nucleo avviene in situ a causa della crescente insolubilità del blocco PBzMA nell'etanolo. È interessante notare che la formazione di micelle simili a vermi altamente puri può essere facilmente monitorata osservando l'insorgenza di un gel altamente viscoso in situ a causa di aggrovigliamenti di nanoparticelle che si verificano durante la polimerizzazione. Questo processo consente quindi una sintesi più riproducibile di micelle simili a vermi semplicemente monitorando la viscosità della soluzione durante il corso della polimerizzazione. Inoltre, lo stimolo luminoso può essere applicato in modo intermittente in modo ON/OFF, dimostrando il controllo temporale sulla morfologia delle nanoparticelle.
Introduzione
La sintesi di non sferiche (e altri) morfologie nanoparticelle è stata tradizionalmente realizzato utilizzando una procedura di auto-assemblaggio multistep iniziano la sintesi e la purificazione di diblock ben definita amfifilico (o multiblock) copolimeri. Una delle tecniche di auto-assemblaggio più comuni è diffuso da Eisenberg nel 1990 e comporta la dissoluzione del copolimero a blocchi anfifilo in un solvente comune per entrambi i blocchi polimerici seguita dalla lenta aggiunta di un selettivo solvente per uno dei blocchi 1-3 . Come si aggiunge il solvente selettivo (tipicamente acqua), il copolimero a blocchi subisce auto-assemblaggio per formare nanoparticelle polimeriche. La morfologia finale (o miscele di morfologie) delle nanoparticelle sono determinati da un gran numero di fattori quali le relative lunghezze di ciascun blocco polimerico, velocità di aggiunta acqua e la natura del solvente comune. Tuttavia, questo approccio generalmente consente solo per la produzione di nanoparticelle relativamente basso contenuto di solidi (meno dell'1% in peso) e quindi limita la sua scalabilità pratico 4. Inoltre, la formazione riproducibile di fasi "intermedi" come micelle vermiformi può essere difficile a causa della ristretta gamma di parametri necessari per stabilizzare questa morfologia non sferica 5.
L'approccio polimerizzazione indotta autoassemblaggio (PISA) affronta parzialmente gli inconvenienti dell'approccio Eisenberg utilizzando il processo di polimerizzazione stesso per guidare autoassemblaggio in situ consentendo la sintesi di nanoparticelle a molto più elevato contenuto di solidi (tipicamente 10-30% in peso) 6 -8. In un tipico approccio PISA, un processo di polimerizzazione vivente è utilizzato per catena estendere un macroinitiator solvente solubile (o macro-CTA) con un monomero che inizialmente è solubile nel mezzo di reazione, ma forma un polimero insolubile. L'approccio PISA è stato usato per sintetizzare micelle vermiformi testando sistematicamente un numero di ex parametri sperimentali e l'utilizzo di diagrammi di stato dettagliate come una "tabella di marcia" sintetica 5,9.
Nonostante la loro sintesi impegnativo, c'è un grande interesse per le nanoparticelle vermiformi causa delle loro proprietà interessanti relativi alle loro controparti sferiche. Ad esempio, abbiamo dimostrato che farmaci caricato micelle a breve e lungo vermiformi sintetizzati utilizzando un approccio PISA hanno significativamente più elevata nel citotossicità in vitro rispetto a micelle sferiche o vescicole 10. Altri hanno mostrato una correlazione tra le proporzioni delle nanoparticelle e ora la circolazione del sangue in modelli in vivo 11. Altri hanno dimostrato che la sintesi di nanoparticelle vermi come usando una metodologia PISA appropriata produce un gel macroscopica causa della entanglement nanoscala dei filamenti di nanoparticelle. Questi gel hanno dimostrato potenziale come gel sterilizzabili a causa della loro termoreversibile comportamento sol-gel 12.
ontent "> Questo protocollo descrive un metodo che consenta l'in situ monitoraggio della formazione di micelle vermiformi semplicemente osservando la viscosità della soluzione durante la polimerizzazione. Precedenti studi simili gel micellari vermiformi hanno dimostrato che sopra di una temperatura critica, questi nanoparticelle subiscono una transizione reversibile verme-sfera e così formare dispersioni fluidità a temperature elevate. ad oggi, questi sistemi hanno utilizzato un composto AZO termosensibile per iniziare la polimerizzazione controllata 13,14 e così gelificazione non può essere facilmente osservata in questi sistemi durante la polimerizzazione termica. Da questi studi, è stato ipotizzato che la sintesi di nanoparticelle PISA derivati a temperature inferiori può consentire l'osservazione di questo comportamento gelificazione in situ.Recentemente abbiamo riportato l'uso di una tecnica temperatura ambiente fotopolimerizzazione facile per mediare il processo PISA a produrre nanoparticelle didiverse morfologie 15. Qui, un protocollo visualizzato viene presentato per la sintesi riproducibile di micelle vermiformi osservando il comportamento viscosità della soluzione durante la polimerizzazione. Il ricavato dispersione di polimerizzazione facilmente utilizzando disponibili in commercio diodi emettitori di luce (LED) (λ = 460 nm, 0,7 mW / cm 2).
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Protocollo
1. Sintesi e caratterizzazione di POEGMA macro-CTA
- Aggiungere oligo (glicole etilenico) metil etere metacrilato (OEGMA) (12 g, 4 × 10 -2 mol), 4-ciano-4- (phenylcarbonothioylthio) pentanoico (CPADB) (0.224 g, 8 × 10 -4 moli), 2,2'-azobis (2-methylpropionitrile) (AIBN) (16,4 mg, 0,1 mmol) e 50 ml di acetonitrile (MeCN) per 100 ml pallone da fondo.
- Sigillare il pallone con un filo setto di gomma e acciaio di dimensioni adeguate e raffreddare il pallone da temperatura ambiente a <4 ° C in un bagno di ghiaccio-acqua.
- Deoxygenate il matraccio per 30 minuti facendo gorgogliare azoto direttamente nella miscela di reazione attraverso un ago G 21 (0,8 mm x 120 mm) con un secondo 21 ago G (0,8 mm x 38 mm) con funzione di sfiato.
- Posizionare la beuta in un bagno ad olio a 70 ° C per 5,5 ore prima della tempra la polimerizzazione mediante immersione in un bagno di ghiaccio-acqua ed esponendo i contenuti all'aria.
- Rimuovere il MeCN agitando sotto acflusso ontinuous di aria compressa e ri-sciogliere la miscela grezza in ~ 40 ml di tetraidrofurano (THF).
- Aggiungere il contenuto del pallone goccia a goccia 400 ml di una miscela rapidamente agitata di essenze minerali (bp 40-60 ° C) ed etere dietilico (70:30, v / v) e continuare a mescolare fino surnatante non è torbida.
Nota: raffreddamento in un bagno di ghiaccio può essere utilizzato per accelerare il processo di precipitazione. - Decantare il surnatante e ri-sciogliere il residuo polimero in ~ 40 ml di THF.
- Ripetere il processo di precipitazione (passi 1,5-1,7) almeno due volte per assicurare la rimozione completa del monomero residuo OEGMA. Rimuovere il solvente in eccesso dalla purificato POEGMA macro-CTA innanzitutto agitando sotto un flusso continuo di aria compressa ed essiccamento in stufa sotto vuoto (20 ° C, 10 mbar) per 4 ore.
- Determinare il peso molecolare numerico medio del POEGMA macro-CTA per Risonanza Magnetica Nucleare (NMR) (M n, NMR) utilizzando un metodo precedentemente riportato 15. Usando il gel cromatografia a permeazione di 15 (GPC) (dimetilacetamide come fase mobile e standard appropriati per la calibrazione) calcolare la dispersità polimero (D).
Nota: Utilizzando la sintesi di cui sopra (passi 1,1-1,8) dovrebbe produrre un POEGMA macro-CTA con M n, NMR = 9.000, e d <1.15. Se il peso molecolare (e dispersity) del sintetizzata POEGMA macro-CTA differisce dalla sintesi qui presentato (tra 7,000 - 1,000 g / mol), la formazione di micelle vermiformi (come indicato in situ gelificazione) può ancora verificarsi utilizzando la metodologia successiva PISA presentato nella (sezione 2) anche se ad un tempo di reazione leggermente modificato.
2. Preparazione di POEGMA- b -PBzMA nanoparticelle Utilizzando PISA
- Preparare un 1 mg / ml soluzione stock di Ru (bpy) 3 Cl 2. 6H 2 O in etanolo (EtOH). Conservare la soluzione di riserva in frigorifero per ridurre al minimo l'evaporazione del solvente.
- Inserire una pipetta Pasteur con un piccolo batuffolo di cotone con una seconda pipetta per aiutare confezione ermeticamente. Versare ossido di alluminio basico nella pipetta con il tappo ovatta per dare una colonna di circa 5 cm. Rimuovere l'inibitore idrochinone monometiletere in BzMA commerciale passando ~ 3 ml di BzMA attraverso la colonna e raccogliendo l'eluente BzMA deinhibited.
- Aggiungi POEGMA macroCTA (~ 9.000 g / mol; 76,9 mg, 8,5 × 10 -6 mol)., Deinhibited BzMA (0,301 g, 1,71 × 10 -3 mol), Ru (bpy) 3 Cl 2 6H 2 O (128 mg, 1,71 × 10 -7 mol, 128 ml di una / ml di soluzione etanolica 1 mg), 0,383 ml MECN e 1.402 ml EtOH (1.913 ml di solvente totale, l'80% in peso, 20 v / v% MeCN) a un flaconcino di vetro 4 ml .
- Eseguire la procedura di deossigenazione come indicato dal passo 1,2-1,3.
- Posizionare la fiala in un bicchiere di vetro 2,000 ml (Figura 2) rivestito con strisce LED blu (λ max = 460nm, 0,7 mW / cm 2) e irradiare a temperatura ambiente sotto agitazione magnetica. Monitorare il flaconcino di reazione regolarmente dopo 20 ore e rimuoverlo dal reattore quando la soluzione ad alta viscosità forma un gel free standing quando il flacone viene capovolto (figura 3).
Nota: Il tempo totale per produrre un gel free-standing dovrebbe essere di circa 24 ore di irradiazione di luce blu utilizzando le condizioni qui presentati. Piccole differenze nei reattori di irradiazione di luce (dimensioni fisiche, intensità, ecc) possono richiedere condizioni leggermente diverse (in particolare il tempo di reazione) per ottenere la formazione in situ di micelle vermiformi. - Dopo aver rimosso dal reattore, estinguere la polimerizzazione esponendo il gel nanoparticelle all'aria per pochi minuti e memorizzare la fiala chiusa in posizione verticale al buio.
3. microscopia elettronica a trasmissione (TEM) Imaging di nanoparticelle Morfologia
- Mettere circa 40 mg del nanopa greggioGel Articolo (dalla sezione 2) in un flaconcino di vetro da 4 ml.
- Continuamente Agitare il gel nanoparticelle utilizzando un vortex e aggiungere 4 ml di EtOH goccia a goccia per un periodo di almeno 5 min. Il gel deve diventare una soluzione fluida durante l'aggiunta del solvente.
Nota: Se il gel viene diluita con EtOH troppo rapidamente o meno agitato adeguatamente, si può verificare una certa precipitazione delle nanoparticelle. Vedere il punto 3.3. - Rimuovere eventuali aggregati macroscopici dalle nanoparticelle diluito filtrando attraverso lana di vetro.
- Eseguire l'immagine TEM (con acetato di uranile colorazione) del campione diluito secondo una procedura precedentemente riportati. 15
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Risultati
In questo studio, protocollo di polimerizzazione a due fasi viene utilizzato per la sintesi di micelle vermiformi utilizzando un approccio PISA (Figura 1). Nella prima fase, la polimerizzazione viene eseguita OEGMA ottenendo un POEGMA macro-CTA che può essere utilizzato come stabilizzatore nella fase di polimerizzazione successiva. Il ricavato di polimerizzazione PET zattera in condizioni di dispersione a causa l'insolubilità di PBzMA in etanolo che alla fine porta a...
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Discussione
Questo protocollo visualizzato dimostra la capacità di controllare la formazione di micelle vermiformi semplicemente osservando l'insorgenza di comportamento simile a gel. L'utilità di questo approccio consiste nella capacità di monitorare formazione verme durante la polimerizzazione in confronto ad altri metodi. Questa procedura può essere eseguita utilizzando una polimerizzazione in due fasi dei due monomeri disponibili in commercio (OEGMA e BzMA) a cedere POEGMA- b -PBzMA copolimeri anfifilici dibloc...
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Dichiarazioni
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Ringraziamenti
CB è grato per la sua Future Fellowship dall'Australian Research Council (ARC-FT12010096) e dall'UNSW Australia.
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Acido 4-ciano-4- (fenilcarbonotiotioiltio)pentanoico (CPADB) | Sigma-Aldrich | 722995-5G | |
| Oligo(glicole etilenico) etere metilico metacrilato (OEGMA) | Sigma-Aldrich | 447935-500ML | Medio Mn 300, contiene 100 ppm MEHQ come inibitore, 300 ppm BHT come inibitore |
| 2,2′-Azobis(2-metilpropionitrile) (AIBN) | Sigma-Aldrich | ||
| Ru(bpy)3Cl2.6H2O | Sigma-Aldrich | 544981-1G | |
| Metacrilato di benzile (BzMA) | Sigma-Aldrich | 409448-1L | Contiene etere monometilico idrochinone come inibitore |
| Ossido di alluminio ( di base) | Chem-Supply Pty Ltd Australia | AL08371000 | |
| 95% Etanolo (EtOH) | Sucrogen Bio Etanolo | 80889 | |
| Acetonitrile (MeCN) | Chem-Supply Pty Ltd Australia | RP1005-G2.5L | |
| Tetraidrofurano (THF) | Chem-Supply Pty Ltd Australia | TA011-2.5L | |
| Petroleum Spirits (40-60 ° C) | Chem-Supply Pty Ltd Australia | PA044-2.5L | |
| Etere dietilico | Chem-Supply Pty Ltd Australia | EA0362.5L | |
| Dimetilacetammide (DMAc) | VWR International Australia | ALFA22916. M1 | Per analisi GPC |
| Pipette Pasteur (230 mm) | Labtek | 355.050.503 | |
| Bicchieri di vetro | Labtek | 025.01.902 (2L)/ 2110654 (1L) | 2 Il becher L serve per il fissaggio di strisce LED per formare il reattore circolare |
| Striscia LED commerciale | EcoLab | n/a | λ = 460 nm, 4,8 W/m |
| 4 ml Fiale di vetro | Labtek | APC502214B | |
| 0,9 ml Cuvetta di quarzo | Starna Scientific Ltd | 21/Q/2 | |
| Ago (0,8 mm x 38 mm) | Beckton Dickson | 302017 | Per reazioni di deossigenazione |
| Ago (0,8 mm x 120 mm) | B Braun Australia | 4665643 | Per reazioni di deossigenazione |
| Setti con tappo a manicotto (setto di gomma) | Sigma-Aldrich | z564680/z564702 | |
| Piastre riscaldanti di agitazione | VWR International Australia/In Vitro Technologies | 97018-488/RADRR91200 | |
| Miscelatore a vortice | VWR International Australia | 412-0098 | |
| Forno a vuoto | In Vitro Tecnologie | MEMVO200 |
Riferimenti
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