私たちは、過飽和NIPAAmモノマー溶液の相分離に基づいて明確に区画化された構造を持つ、完全に同じ基材であるポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)(PNIPAAm)で構成されるヤヌスマイクロハイドロゲルを合成するためのプロトコルを提示します。合成されたヤヌスマイクロヒドロゲルは、異方性熱応答性、有機親和性/親水性ローディング能力などのユニークな特性を示します。
私たちは、過飽和NIPAAmモノマー溶液の相分離に基づいて明確に区画化された構造を持つ、完全に同じ基材であるポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)(PNIPAAm)で構成されるヤヌスマイクロハイドロゲルを合成するためのプロトコルを提示します。合成されたヤヌスマイクロヒドロゲルは、異方性熱応答性、有機親和性/親水性ローディング能力などのユニークな特性を示します。
ヤヌス微粒子は、それぞれの両側で異なる分子構造および/または機能を持つ区分化された粒子です。このユニークな性質から、ヤヌス微粒子は新しい材料として認識され、さまざまな研究分野から大きな注目を集めています。これらの微粒子の多様性は、自己組織化、電気的に応答するアクチュエータ、塗料や化粧品の乳化剤、薬物送達の担体としての用途を通じて実証されています。この研究では、単一の基材であるポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)(PNIPAAm)で構成される新規のヤヌスマイクロヒドロゲルを設計するための合成方法を明示的に説明する詳細なプロトコルを紹介します。ヤヌスの微小液滴は、まず、過飽和NIPAAmモノマー水溶液の分離に基づく流体力学的集束マイクロ流体デバイス(HFMD)を介して生成され、続いてUV照射による重合が行われます。得られたヤヌスマイクロヒドロゲルは、完全に同じ基材で構成され、容易に識別可能な区画化された形態を特徴とし、異方性の熱応答性と有機親和性/親水性のローディング能力を示したことがわかりました。提案された方法は、多機能Janusマイクロハイドロゲルの高度な合成の可能性を秘めた新しいハイドロゲルプラットフォームを導入すると考えています。
ハイドロゲルは親水性ポリマー鎖のネットワークです。1 ハイドロゲルの分野での研究の増加により、著しい進歩が促進され、生体組織との類似性が明らかになりました。ハイドロゲルの特性により、その構造を維持しながら大量の水を取り込むことができます。環境応答性ハイドロゲルは、外部刺激に応答して可逆的に膨潤または収縮する能力があるため、広く研究されてきました。2 ハイドロゲルの幾何学的形状を制御するために、温度3-5 pH、6,7光、8,9電界10,11、グルコースなどの特定の分子12,13など、いくつかのトリガーが提案されています。現在入手可能な多くの環境応答性ハイドロゲルの中で、よく知られている熱応答性ヒドロゲルであるポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)(PNIPAAm)は、32°Cの低臨界溶液温度(LCST)を超える体積収縮を示します14。図15は、PNIPAAmのモノマーである過飽和NIPAAmの興味深い液液相分離を報告した。この報告によると、過飽和NIPAAmは10倍モル過剰のH2Oで溶解し、その後すぐに、25°Cを超える温度で静止させると、溶液は2つの液相に分離しました。これに対し、希薄なNIPAAmは、同じ条件で均一に溶解した。
環境応答性ハイドロゲルで作られた微粒子は、薬物送達、16,17触媒、18センシング、19,20、およびフォトニクスへの応用のための魅力的な候補です。21 乳化重合を含む従来の合成方法は、多分散性を有するヒドロゲル微粒子を製造するために使用される。22,23 しかし、特定のアプリケーションでは、例えば、薬物送達の薬物動態を安定させるために、狭いサイズ分布の微粒子が必要です。24 不規則な形状または多分散の塞栓性微粒子は、近位に凝集してクラスターを形成し、癌治療のための塞栓粒子に慢性炎症反応を引き起こします。25,26
マイクロ流体アプローチは、狭いサイズ分布と複雑な形状を持つマイクロサイズの粒子を製造する手段として、研究の最前線にあります。27-31 マイクロ流体デバイスでマイクロ粒子を作製する利点は、マイクロ流体デバイスの特性長が小さいため、レイノルズ数が小さくなることに起因します。液滴が並列に形成される従来のバルク乳化とは対照的に、マイクロ流体デバイスで生成された微小液滴は直列に生成され、UV照射にさらされると微粒子に重合されます。マイクロ流体デバイスを用いた液滴形成の基本原理は、界面張力とコア流体に作用するシース流体のせん断力とのバランスです。
マイクロ流体による液滴/粒子の明らかな利点にもかかわらず、これらの液滴/粒子の内部形態が一般的にコア流体の拡散と摂動によって乱されるため、同じ基材からなるヤヌスの液滴/粒子はめったに報告されません。この本質的な制限を回避するために、2つのグループが最近、コロイド状ナノ粒子の熱誘起相分離とUV指向相分離を採用することにより、ヤヌス微粒子の調製を報告しました。32,33
この目的のために、我々は、単一の基材から完全に構成されたヤヌスマイクロハイドロゲルを合成し、明確に区分された形態を持つ生成物を得るためのマイクロ流体アプローチを報告します。私たちのアプローチは、過飽和NIPAAmモノマーの液液相分離という主要な概念に基づいています。得られたヤヌスマイクロハイドロゲルは、異方性熱応答性、有機親和性/親水性ローディング能力などのユニークな特性を有することがわかりました。
フォトリソグラフィにより流体力学的フォーカシングマイクロ流体デバイス(HFMD)のためのマスターモールドの1の作製
PDMSキャスティングを通じてHFMDの2製作

図1:手足口病の製造手順の概要 HFMDのためのフォトマスクの(a)の設計パラメータ。 HFMDの製造手順の(b)のイラスト。ftp_upload / 52813 / 52813fig1large.jpg "ターゲット=" _空白 ">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
過飽和NIPAAMの相分離により、リッチNIPAAM-(N-リッチ)とNIPAAMに乏しい(N-貧困層)相の調製

図2:ヤヌスMicrohydrogel合成のための材料の準備 (a)は、過飽和NIPAAMの相分離を介して、N-豊富で、N-乏しいモノマー溶液の調製。 (b)の材料とプロトコルで使用される実験の詳細。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
ヤヌスMicrohydrogelsの4合成HFMDを使用しました
ヤヌスMicrohydrogelsの異方性熱応答性の5.分析
図3aは、HFMD 経由ヤヌスmicrohydrogelsを合成するために使用される実験のセットアップの概略図を示します。 N-金持ちとN-乏しい相が正確に芯液1及び2のように手足口病に注入し、その後合併し、理由レイリーキャピラリー不安定性の鉱物油のシース流体によるオリフィスでヤヌス微小液滴に分かれていました。 図3bに示すようにその結果、豊富なN末端 およびN-乏しい相からなるヤヌスの微小液滴が正常に生成されました。微小液滴の直径は、2%未満の変動係数(CV)を有する190ミクロンでした。両方の相が安定に分離されているので、ヤヌスの微小液滴の明確区画内部形態を観察しました。各フェーズは、他の中で非混和性であり、相の間の拡散がほとんど無視できることに留意すべきです。微小液滴内部のN-豊富で、N-乏しい相の体積比は、cました図3cに示すように、シリンジポンプを介してモノマー溶液の流量を変えることによりontrolled。 N-金持ちとN-乏しいモノマー溶液に追加された光開始剤は、それによって、それぞれ、PN-金持ちとPN-貧困層へのN-豊富で、N-乏しい相の重合を誘導し、UV光への曝露によって引き起こされました。

図3:HFMDを使用して、ヤヌス微小液滴の生成ヤヌスの微小液滴を生成するためのHFMDの(a)の模式図。 (b)はヤヌスN-豊富で構成される微小液滴とN-乏しい相の光学顕微鏡写真を。 (c)はヤヌスN-リッチの異なる体積比で得られた微小液滴とN-乏しい相(1:3、1:1、3:1)。 拡大表示するにはここをクリックして下さいこの図のバージョン。
図4は、PN-豊富で、ヤヌスmicrohydrogelのPN-乏しい部品間のNIPAAMモノマー濃度の違いによるmicrohydrogelsの異方性魔法瓶応答挙動を示しています。 2および40mgのmlでの異なる架橋剤濃度のヤヌスmicrohydrogels -1、得られたヒドロゲルの熱応答性挙動の架橋剤濃度の影響を調べるために作製しました。 図4に示すように、架橋剤濃度の増加は、LCSTの上下microhydrogelsの可逆的な体積変化の減少をもたらしました。

図4:ヤヌスMicrohydrogelsの温度応答に応じて、ヤヌスmicrohydrogelsにおける異方性体積変化。温度変化は、PN-豊富で、PN-乏しい部品間のNIPAAMモノマー濃度の違いによって誘導された。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
油中の24℃、24℃の水で、水に32°C: 図5aは、模式図で、環境や温度変化に応じてヤヌスの微小液滴/ microhydrogelsの光学顕微鏡写真を示します。 図5bに示すように、熱応答性を定量するために、我々は、ヤヌスの微小液滴/ microhydrogelsの半径を測定しました。 図5Bにエラーバーは25ヤヌスmicrohydrogelsで測定された半径の標準偏差を表しています。ヤヌスmicrohydrogelsの各部分の半径は、画像解析ソフトウェアを用いて撮影した画像から決定しました。モノマー液滴の状態では( 図5aおよび図5bでa1)は、N-金持ちとN-乏しい相の半径はほぼ同一でした。ヤヌスmicrohydrogelsのPN-豊富で、PN-乏しい部品間の半径でも若干の違いが原因に比べてN-乏しい相の下側のNIPAAMモノマー濃度( 図5aおよび図(b)におけるa2)の重合後に観察されましたNリッチ相。ヤヌスmicrohydrogelsの両方PN-豊富で、PN-悪い部分は、室温で脱イオン水に完全に膨潤しました。腫れ段階では、PN-豊富な部分の膨潤がPN-悪い部分のそれよりも大きかったです。結果的に、雪の男形ヤヌスmicrohydrogelsは( 図5aおよび図bにおけるa3)を得ました。興味深いことに、32℃での収縮後microhydrogelsの半径HFMD( 図5a及び図5bにA4)で生成された微小液滴の半径と同様でした。

図5:異方性サーモ応答性を持つヤヌスMicrohydrogels(a) の模式図とヤヌスの微小液滴/ microhydrogelsの光学顕微鏡写真(スケールバーは100μmです)。 (b)は 、環境や温度変化に応じたヤヌスの微小液滴/ microhydrogelsの半径の変化:24℃水中で24℃、水中で32℃、油中。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図6aは、N-豊富で、N-乏しいモノマー溶液の溶解特性を示しています。脂溶性染料(オイルレッドOとオイルブルーN)と水溶性染料(黄色と緑の食用色素)強くN-RIC中に溶解することを好みますそれぞれh及びN-乏しいモノマー溶液、。これらの溶解特性に基づいて、相互混合することなく脂及び水溶性染料を含有するヤヌスNIPAAMモノマー微小液滴は、提案されたプロトコルを使用して生成しました。 図6bに示すように、オイルレッドOおよび緑色食品色素はそれぞれ、代表的な有機性および親水性材料として選択しました。 UV重合の後、両方の色素を含有するヤヌスmicrohydrogelsに成功図6cに示され、合成された。これらの結果は、ヤヌスmicrohydrogelが有機親和性/疎水性二重材料担体として適用することができることを明らかにする。

図6:有機性/親水性のロード機能を備えたヤヌスMicrohydrogels(a) の N-リッチの溶解特性およびN-乏しいモノマー溶液。脂と水溶性染料強くpreferredは、それぞれ、N-金持ちとN-乏しいモノマー溶液に溶解しました。相互混合することなく脂及び水溶性染料を含有するヤヌスの微小液滴の(b)の生成。 (c)の脂と水溶性染料を含む重合ヤヌスmicrohydrogels。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
二つの不混和性の基材は、一般に、ヤヌスmicrohydrogelsを合成するために使用されます。このプロトコルでは最近まで、同一の基材からなるヤヌスmicrohydrogelsはほとんど報告されなかったと報告されたヤヌスmicrohydrogelsが原因で構成材料の相溶性による外乱に明確な内部形態を持っていませんでした。35、36、我々は法を実証します明らかに区画構成で、完全に単一の基材のPNIPAAmからなるヤヌスmicrohydrogelsを合成します。
ヤヌスmicrohydrogelsを合成する重要なステップとして、我々は過飽和NIPAAMモノマー溶液の相分離現象を導入しました。相分離現象から収集したN-豊富で、N-乏しい相溶液は非混和性であり、豊富なN-とN-乏しい相との間の乱れがほぼ無視できる程度です。このN-リッチの非混和性とヤヌスの微小液滴中のN-乏しい相はミリアンペアでしたHFMDにintainedとヤヌスmicrohydrogelsの形態であっても、重合後に保存されました。
我々は、プロトコルが毎時10 5ヤヌスmicrohydrogelsの速度で単分散ヤヌスmicrohydrogelsの容易な製造を可能にするため、ヤヌスmicrohydrogelsを合成する方法として、HFMDを適用しました。この作業で新たに設計された手足口病は適切百μmオーダー内のサイズでヤヌスmicrohydrogelsを製造するために作製しました。手足口病の将来の設計は、より小さなサイズのヤヌスmicrohydrogelsを産生することができるかもしれません。
ヤヌスmicrohydrogelsのさらなる研究は、N-豊富で異なるNIPAAM濃度とN-貧しい段階から発生した2つの異なる特性を明らかにしました。まず、異なるNIPAAM濃度で構成ヤヌスmicrohydrogelsは、温度変化に応じて、異方性熱応答性挙動を示しました。架橋比モノマーはよく悲惨によく知られていますCTLYヒドロゲルの膨潤のレベルに影響を与えるNリッチ相でNIPAAM分子37の量は、一般に、N-乏しい相に比べてはるかに高いです。従って、Nリッチ相中の架橋剤の比率は、モノマーは、架橋剤の同じ濃度は、両方の相のために使用されるN-乏しい相に比べて大きいです。したがって、ヤヌスヒドロゲルのPNに富む部分は、温度変化に応答して、PN-乏しい部分と比較して、より大きな体積変化を受けます。第二に、ヤヌスmicrohydrogelsは、クロスミキシングせずに親水性/親有機積載能力を示しました。水溶性染料は、N-乏しいモノマー溶液中に十分に溶解しながら脂溶性染料は、N-リッチ単量体溶液中に十分に溶解しました。 N-金持ちとN-乏しいモノマー溶液の対照的な溶解特性は、各モノマー溶液中のNIPAAM分子との相互作用後に残っ自由水分子の可用性の違いに由来しています。それはPOSSため、Nに富むモノマー溶液よりも残りの自由水分子の比較的高い数esses、N-乏しいモノマー溶液を容易に水溶性染料の中の親水性極性分子を溶解することができます。対照的に、水溶性染料は、いくつかの無料の水の分子と相互作用することができるN富むモノマー溶液に乏しい溶解性を示しました。脂溶性染料と混合した場合従って、リッチN末端およびN-乏しいモノマー溶液は、反対の結果を示しました。合成ヤヌスmicrohydrogelsは相互混合することなく、区画の内部形態を有する親有機性/親水性の二重材料担体として使用することができます。
将来のアプリケーション
ヤヌスmicrohydrogelsの新規な特徴は、機能性微粒子を開発し、複数の薬物のカプセル化を達成するために利用することができます。私たちは、過飽和NIPAAMの相分離に基づいて、これらのヤヌスmicrohydrogelsのための合成プロトコルは、新規マテリアを導入していることを信じています多機能ヤヌスmicrohydrogelsの高度な合成のための可能性を持つリットルプラットフォーム。
著者らは、競合する金銭的利益はないと宣言している。
この作業は、韓国政府が資金提供した韓国国立研究財団(NRF)の助成金(MSIP)(Nos. 2014R1A2A1A01006527 and 2011-0030075)によって支援されました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| シリコンウェーハ | Siltron | 4インチ、マスター | モールド製造用 |
| アセトン | 三春純薬 | A0097 | シリコンウェーハのクリーニング |
| イソプロピルアルコール(IPA) | Daejung Chemicals &金属 | 5035-4404 | シリコンウェーハのクリーニング |
| 浄水システム | Merck Millipore | EMD Millipore RIOs エッセンシャル 5 | 準備 脱イオン水 |
| O2 プラズママシン | フェムトサイエンス | VITA-A | シリコンウェーハ |
| SU-8 2150 ネガティブフォトレジスト | MicroChem | Y111077 0500L1GL | マスターモールド製造用フォトレジスト |
| ホットプレート | Misung Scientific | HP330D, HP150D | ベーキング SU-8 |
| SU-8 開発者 | Microchem | Y020100 4000L1PE | |
| リソグラフィー用SU-8マスクアライナーシステム | Shinu Mst Co. | CA-6M | フォトリソグラフィー |
| シルガード184シリコーンエラストマーキット | ダウコーニング | 1064891 | PDMSキャスティング |
| ラボラトリーコロナトリーター | エレクトロテクニックプロダクツ株式会社 | BD-20AC | PDMS型 エアプラズマ処理 |
| N-イソプロピルアクリルアミド (NIPAAm) | Sigma-Aldrich | 415324-50G | モノマー |
| N,N'-メチレンビスアクリルアミド (MBAAm) | Sigma-Aldrich | 146072-100G | NIPAAm |
| 4-(2-ヒドロキシエトキシ)フェニル-(2-ヒドロキシ-2-プロピル)ケトン、Irgacure 2959 | BASF | 55047962 | NIPAAm |
| ABIL EM 90 | Evonik の光開始剤産業201109 | 石油用界面活性剤 | |
| ボルテックスミキサー | Scientific Industries, Inc. | Vortex-Genie 2 | ミキシング |
| タイゴン チューブ | サンゴバン | I.D. 1/32", O.D. 3/32", 壁 1/32インチ | シリンジとHFMD UV光源の接続チューブ |
| 浜松 | スポット光源 LC8 | NIPAAmからPNIPAAmへの重合 | |
| シリンジ, NORM-JECT (3 ml) | Henke-Sass Wolf GmbH | 22767 | 材料のローディング |
| シリンジポンプ | KD科学的な | KDSモデル200 | 材料の灌流 |
| テギトールタイプ NP-10 | Sigma-Aldrich | NP10-500ML | 水用界面活性剤 |
| オイルレッド O | Sigma-Aldrich | O0625-25G | Nリッチ相用染料 |
| オイルブルー N | Sigma-Aldrich | 391557-5G | Nリッチ相用染料 |
| 黄色 食用色素 | Edentown F&B | NA | N-貧相用染料 |
| 緑色食品染料 | Edentown F&B | NA | N-poor相用色素 |
| 電源 | Agilent | E3649A | 熱電モジュール用電源 |
| 熱電モジュール | ペルチェ | FALC1-12710T125 | 温度制御 |
| 遠心分離機 | Labogene | 1248R | マイクロハイドロゲルの沈降 |
| 24ウェルプレート | SPL ライフサイエンス | 32024 | 観察用リザーバー |
| 光学顕微鏡 | ニコン | ECLIPSE 80i | 光学観察 |
| 画像解析ソフト | IMT アイソリューション株式会社 | iSolutions DT | 半径の測定 |