方法論記事

ポリの合成（ N -isopropylacrylamide）異方性熱応答性および有機性/親水性ローディング機能のためのヤヌスMicrohydrogels

DOI：

10.3791/52813

⸱

2016年2月27日

 ,  ,  , 
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)

この記事について

サマリー

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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。

要約

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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。

概要

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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。

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プロトコル

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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

  1. 製造業者のプロトコルに従って、コンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェアを使用して、手足口病（ 図1a）用のフォトマスクを設計します。
  2. ウェハから有機及び無機の塵埃を除去するためにアセトン、イソプロピルアルコール（IPA）、および脱イオン（DI）水を用いて4 'シリコンウエハをすすぎます。
  3. ウエハとSU-8との接合強度を高めるために5分間の電力100 Wで、O 2プラズマでシリコンウエハを清掃してください。
  4. スピンコートネガ型フォトレジスト4mlを、SU-8 2150ウェハ上に30秒間3,000 rpmで150ミクロン（ 図1BにB1）の厚さを達成します。
  5. 65℃で5分間ホットプレート上でSU-8被覆されたウェハを置き、95℃に温度を設定し、ソフトベークに30分間ホットプレート上のウエハを残します。
  6. 置きウェハ上にフォトマスクを設計し、マスクアライナ（ 図1bにおけるB2）で、UV光（260ミリジュールのcm -2で、10ミリワットのCMの26秒-2）に公開します。
  7. ホットプレート（5分間65℃で、次に95℃で12分間）で露光後ベークを行います。
  8. 10分間のSU-8現像液浴に浸漬することにより、ウェハを開発し、その後、清浄な表面を得るために、5秒間新鮮な現像液にそれを転送します。
  9. DI水で20秒間ウェハを洗浄し、N 2ガ ​​ス（ 図1bにおけるB3）で10秒間、それを乾燥させます。第2節でポリジメチルシロキサン（PDMS）鋳造用マスターモールドとして作製ウェーハを使用してください。

PDMSキャ​​スティングを通じてHFMDの2製作

  1. PDMS鋳造用マスターモールドとして、第1節で得られたパターン化されたウェハを使用してください。
  2. 10の重量比で均一にPDMSプレポリマーと硬化剤を混合する：1。例えば、PDMSプレpolym 10gのための硬化剤1gを使用えー。
  3. マスターモールドにPDMSプレポリマーを注ぎ、真空チャンバー（ 図1bにおけるB4）で1時間のためにそれを脱気。
  4. 3時間65℃のオーブンにPDMSプレポリマーとマスター型を置きます。
  5. 鋭いメスを用いて、単一のチップの大きさに硬化PDMSをカット。慎重に手でマスターモールドから硬化PDMSのレプリカをはがし。
  6. 繰り返しは、同一のPDMSレプリカを得るために、2.2〜2.5の手順。
  7. 入口パンチと接続するチューブの外径よりもわずかに小さい直径を有する穴パンチャーを使用して、レプリカのいずれかに穴出口。
  8. コロナ処理機を使用して、各レプリカの接合領域に空気プラズマ処理を施す。34
    注意：オゾンの蓄積を避けるために、通気性のいいエリアにコロナ処理機を使ってください。
  9. 空気プラズマ処理された領域上にメタノール5μLをドロップします。細かく手manipuによってHFMDを作製するために、2つの同一のPDMSレプリカを揃えますレーション、および顕微鏡（ 図1bにおけるB5）を介して位置合わせを確認してください。
    注意：空気プラズマ処理したPDMSレプリカはかなり粘着性および操作することが困難です。このように、メタノールの5μlを、潤滑剤として機能する空気プラズマ処理した表面に添加されます。
  10. 2 PDMSレプリカ（ 図1bにおけるB6）との間の結合を強化するために65℃で一晩に設定したオーブンでHFMDを置きます。 HFMDのマイクロチャネルの高さを高くし、動作中のマイクロ流体チャネル内に微小液滴の目詰まりを避けるために、ボンド二つの同一のPDMSのレプリカ。

figure-protocol-1
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

  1. ボルテックスミキサーを用いて、1; 1のAW /​​ wの割合でDI水にNIPAAMモノマーを溶解例えば、DI水（ 図2aの第一の画像）10ml中NIPAAM 10gを溶解します。
    注：NIPAAMモノマーが完全に室温で溶解されると、溶液は濁った（ 図2aの第二の画像）が表示されます。この現象は、過飽和NIPAAMモノマーの溶解度誘起相分離が正常に発生していると最初のキューです。
  2. モノマー溶液は、少なくとも15分間室温で垂直位置で休むことを可能にします。上相は、Nリッチ相であり、そしてより高密度下相はN-乏しい相（ 図2aの第三の画像）です。目の密度電子N-豊富で、N-乏しい相は、それぞれ0.93±0.01および0.99±0.01グラムcm -3である。15
  3. 2相を分離インタフェースが明確になると、慎重にピペットを使用して、このインターフェイスを乱すことなくN-豊富で、N-貧しい段階からモノマー溶液の2ミリリットルを抽出します。
  4. 架橋剤としてN 4mgの、N '-methylenebisacrylamide（MBAAm）を追加し、4- 4mgの（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）ケトン抽出リッチN末端 ​​およびNの光開始剤として低い架橋剤濃度（2ミリグラムmlの-1）（ 図2bにおけるB1とB2）のサンプルについて、コア流体1及び2を調製するための乏しいモノマー溶液。
  5. 前のステップ3.3を繰り返し、コア流体を調製するために抽出されたNリッチとN-乏しいモノマー溶液のそれぞれにMBAAm 80mgの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）ケトンの4 mgの追加高架橋剤の濃度図中（40 mgをミリリットル-1）サンプル（B3およびB4のための1および2URE 2B）。
  6. シース流体（ 図2bにおけるB5）を作製するためにミネラルオイルに、オイル、界面活性剤の10重量％を溶解させます。

figure-protocol-2
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

  1. 負荷コア流体2mlの1及び2（B1、B2又はB3、B4でFiのグレ2b）は 、3つの別々の3 mlの注射器へとシース流体（ 図2BのB5）。 李>
  2. シリンジポンプにシリンジを取り付け、チューブ（ 図の（b）を用いて、HFMDの適切な流体入口にそれぞれ注射器を接続してください。収集容器にHFMDの流体出口を接続するためのチューブを使用してください。
  3. それぞれ、シリンジポンプを設定し、2,2、および10μL分-1の流速でコア流体1及び2と、シース流体を注入します。
  4. ヤヌスの微小液滴の各側の相対的な量比を調整する（オプション）チューンコア流体1及び2の流量。
  5. 垂直に約1cm離れた収集容器からのUV光源を配置します。 UV光源に切り替えて、視覚的にヤヌスmicrohydrogelsの連続生産を監視します。
    注意：使用UV保護-ゴーグルmicrohydrogelの生産を監視します。
  6. コニカルチューブに加工ヤヌスmicrohydrogelsを収集し、IPAを使用してそれらを洗います。その後、決済するためにコニカルチューブ（5分間、780グラム）を遠心分離microhydrogels。
  7. 完全ヤヌスmicrohydrogelsを取り巻く鉱物油を除去するために繰り返して、ステップ4.6に数回。
  8. 繰り返し、ステップ4.6が、ヤヌスmicrohydrogelsの周りに残ったIPAを除去するために、代わりにIPAの（v / v）の0.005％の水の界面活性剤でDI水を使用します。
  9. DI水を含む10ミリリットルバイアルに完全に洗浄しヤヌスmicrohydrogelsを保管してください。

ヤヌスMicrohydrogelsの異方性熱応答性の5.分析

  1. 24ウェルプレートに4節から合成ヤヌスmicrohydrogelsを配置するために、ピペットを使用してください。単層がウェルの底面に形成されるまでmicrohydrogelsは15秒のために解決することができます。
  2. 5X対物レンズと直立光学顕微鏡を用いて24℃でヤヌスmicrohydrogelの画像を取得します。
  3. ウェルプレートの下に熱電モジュールを設定し、ヤヌスマイクロを含む溶液の温度を上昇させるために、このモジュールの電圧を制御32℃にヒドロゲル。
  4. 5X対物レンズと直立光学顕微鏡を用いて、もう一度32℃でヤヌスmicrohydrogelの画像を取得します。
  5. 繰り返しは、統計分析のために異なるヤヌスmicrohydrogelを選ぶように注意しながら、5.2から5.4の24倍をステップ実行します。
  6. 24と32℃で異なるヤヌスmicrohydrogelsの25画像からは、製造元の指示に従って画像解析ソフトウェアを使用して、ヤヌスmicrohydrogelsのPN-豊富で、PN-貧しい部品の半径を測定します。

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結果

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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...

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ディスカッション

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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...

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開示事項

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著者らは、競合する金銭的利益はないと宣言している。

謝辞

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

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。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
シリコンウェーハSiltron4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 MilliporeEMD 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MicroChemY111077 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 ScientificHP330D, HP150Dベーキング SU-8
SU-8 開発者MicrochemY020100 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1064891PDMS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-20ACPDMS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-Aldrich415324-50Gモノマー
N,N'-メチレンビスアクリルアミド (MBAAm)Sigma-Aldrich146072-100GNIPAAm
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 2959BASF55047962NIPAAm
ABIL EM 90Evonik 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 LC8NIPAAmからPNIPAAmへの重合
シリンジ, NORM-JECT (3 ml)Henke-Sass Wolf GmbH22767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-10Sigma-AldrichNP10-500ML水用界面活性剤
オイルレッド OSigma-AldrichO0625-25GNリッチ相用染料
オイルブルー NSigma-Aldrich391557-5GNリッチ相用染料
黄色 食用色素Edentown F&BNAN-貧相用染料
緑色食品染料Edentown F&BNAN-poor相用色素
電源AgilentE3649A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Labogene1248R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
LG テストグレードウェーハ フォトの開発 素子

参考文献

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