この記事では、可視光を介した分散重合を使用して高分子自己組織化ナノ粒子を生成するプロセスについて説明します。低エネルギーの可視光を使用して重合を制御することで、高固形分で自己組織化したワーム様ミセルの再現性のある形成が可能になります。
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この記事について
サマリー
要約
ここに提示されているのは、可視光媒介分散重合によるワーム様ミセルの容易な合成のためのプロトコルです。このアプローチは、可逆的な付加-フラグメンテーション連鎖-移動(RAFT)重合を使用して、親水性ポリ(オリゴ(エチレングリコール)メチルエーテルメタクリレート)(POEGMA)ホモポリマーを合成することから始まります。穏やかな可視光照射(λ= 460 nm、0.7 mW / cm2)下で、ルテニウムベースの光酸化還元触媒の存在下で、このマクロ鎖移動剤(macro-CTA)は、Ru(bpy)3Cl2を第2のモノマーで鎖伸長して、光誘起電子移動RAFT(PET-RAFT)として知られるプロセスで明確に定義されたブロック共重合体を形成することができます。PET-RAFTを使用してPOEGMAをエタノール(EtOH)中のメタクリル酸ベンジル(BzMA)と鎖状に延伸すると、重合誘起自己組織化(PISA)メカニズムに従って、異なる形態の高分子ナノ粒子がその場で形成されます。PBzMAブロックのエタノールへの不溶性が増大するため、コロナおよびコア内のポリ(ベンジルメタクリレート)(PBzMA)鎖にPOEGMA鎖を提示するナノ粒子への自己組織化がin situで発生します。興味深いことに、高純度の線虫様ミセルの形成は、重合中に発生するナノ粒子の絡み合いによる高粘度のゲルin situの発生を観察することで容易に監視できます。これにより、このプロセスにより、重合の過程で溶液の粘度を監視するだけで、ワーム様ミセルのより再現性の高い合成が可能になります。さらに、光刺激はON/OFF方式で断続的に印加することができ、ナノ粒子の形態に対する時間的制御を実証する。
概要
非球形（および他の）ナノ粒子形態の合成は、伝統的に明確に定義された両親媒性ジブロック（またはマルチ）の共重合体の合成および精製始まる多段階の自己組織化手順を使用して達成されました。最も一般的な自己組織化技術の一つは、1990年代にアイゼンバーグによって普及し、ブロック1-3のいずれかの溶媒の選択をゆっくり加え、続いて、両方のポリマーブロックのための一般的な溶媒中の両親媒性ブロック共重合体の溶解に関与し。選択的な溶媒（通常は水）が添加されると、ブロック共重合体は、ポリマーナノ粒子を形成する自己集合を受けます。ナノ粒子の最終的な形態（または形態の混合物）は、各ポリマーブロック、水の添加速度と共通の溶媒の性質の相対的な長さなどの要因の多数によって決定されます。しかしながら、このアプローチは、一般的にのみnanoparの製造を可能にします比較的低い固形分含有量（1重量％未満）でticlesので、その実用的なスケーラビリティ4を制限します。また、このような蠕虫状ミセル等の「中間」相の再現可能な形成は、この非球形形態5を安定化するために必要なパラメータの狭い範囲のために困難であることができます。
重合によって誘導される自己集合（PISA）のアプローチは、部分的に非常に高い固形分含量（典型的には10〜30重量％）6でナノ粒子合成を可能にする、その場で自己組織化を駆動するために、重合プロセス自体を利用して、アイゼンバーグアプローチの欠点に対処します-8。典型的なPISAアプローチにおいて、リビング重合プロセスは、反応媒体中に最初は可溶性であるが、不溶性ポリマーを形成するモノマーと溶剤可溶性マクロ開始剤（またはマクロCTA）を拡張するチェーンに使用されます。 PISAアプローチは、系統的に元の数を試験することにより、ワームのようなミセルを合成するために使用されています perimentalパラメータおよび合成「ロードマップ」5,9として詳細な相図を使用して。
その挑戦的な合成にもかかわらず、彼らの球状の対応に対するそれらの興味深い特性によるワームのようなナノ粒子に大きな関心が寄せられています。例えば、我々は、PISAのアプローチを用いて合成麻薬ロード短期および長期のワームのようなミセルは球状ミセルやベシクル10と比較して、 インビトロでの細胞毒性において有意に高かっ持っていることを実証しています。他のin vivoモデル11におけるナノ粒子のアスペクト比と血液循環時間との相関関係を示しています。他のものは、適切なPISA方法論を用いてウォーム状ナノ粒子の合成は、ナノ繊維のナノスケールの絡み合いに起因する巨視的ゲルが得られることを示しています。これらのゲルは、それらの熱可逆性ゾルゲル動作12により滅菌ゲルとしての可能性を実証しました。
"ontent>このプロトコルは、単純に、重合中に溶液粘度を観察することによって、ワームのようなミセルの形成のその場での監視を可能にする方法を説明している。同様のワームのようなミセルゲルの以前の研究では、その臨界温度以上、これらを実証しましたナノ粒子は、可逆ウォーム球転移を受けるので、高温で易流動性分散体を形成する。これまでに、これらのシステムは、制御された重合13,14を開始するために熱的に敏感なアゾ化合物を利用しているので、ゲル化が容易にこれらのシステムにおいて観察されないことが熱重合。これらの研究から中に、それはより低い温度でPISA派生したナノ粒子を合成すると、 その場で 、このゲル化挙動の観察を可能にすることができるという仮説が立てられました。最近ではナノ粒子を得るためにPISAのプロセスを媒介する容易な室温の光重合技術の使用を報告しました異なる形態15。ここでは、可視化プロトコルは、重合中に、溶液の粘度挙動を観察することにより、ワーム状ミセルの再現可能な合成のために提示されています。容易に商業的に入手可能な発光ダイオード（LED）（λ= 460nmで、0.7ミリワット/ cm 2で）を用いて分散重合が進行します。
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プロトコル
1.合成とPOEGMAマクロCTAのキャラクタリゼーション
- 、オリゴ（エチレングリコール）メチルエーテルメタクリレート（OEGMA）〜（12 gで4×10 -2モル）、4-シアノ-4-（phenylcarbonothioylthio）ペンタン酸（CPADB）（0.224 gの8×10 -4モル）を添加2,2'-アゾビス（2-メチルプロピオニトリル）（AIBN）を100mlの丸底フラスコに（16.4ミリグラム、0.1ミリモル）を、50mlのアセトニトリル（MeCN中）。
- 適切なサイズのゴム隔壁と鋼線を用いてフラスコを密封し、氷水浴で<4℃に室温からフラスコを冷却します。
- 通気口としての第2の21のG針（0.8ミリメートルX 38ミリメートル）の演技で21 G針（0.8ミリメートルX 120ミリメートル）を介して、反応混合物中に直接窒素をバブリングすることにより30分間フラスコを脱酸素。
- 氷水浴に浸漬することにより重合をクエンチし、空気にコンテンツを露出する前に5.5時間、70℃の油浴にフラスコを置きます。
- 交流の下で攪拌することによってのMeCNを削除します圧縮空気と〜テトラヒドロフラン40ml（THF）に再溶解し、粗混合物をontinuousストリーム。
- 急速に撹拌し、石油スピリットの混合物（沸点40〜60℃）とジエチルエーテルの400ミリリットルにフラスコ滴下の内容を追加します（70:30、v / v）を、上清がもはや曇っなるまで攪拌しないように続けています。
注：氷浴で冷却し、沈殿プロセスを加速するために使用することができます。 - 〜40mLのTHF中の上清および再溶解ポリマー残渣をデカント。
- 沈殿処理を繰り返し、残留OEGMAモノマーの完全な除去を確実にするために、少なくとも2回以上（1.5〜1.7ステップ）。 4時間真空オーブン（20℃、10ミリバール）で、圧縮空気と乾燥の連続ストリームの下で最初に攪拌することにより、精製POEGMAマクロCTAから余分な溶媒を除去します。
- 以前に報告された方法を用いて、核磁気共鳴（NMR）によってPOEGMAマクロCTAの数平均分子量（M N、NMR）を決定
15アップ。ポリマー分散度（D）を計算するゲル浸透クロマトグラフィー15（GPC）（移動相及び較正のための適切な基準としてジメチルアセトアミド）を使用。
注：上記の合成を使用したが（1.1から1.8ステップ）POEGMA MとマクロCTA nは、NMR = 9000、およびD <1.15が得られるはずです。合成POEGMAマクロCTAの分子量（および分散）は、ここに提示合成異なる場合（7,000の間- 1,000グラム/モル）、蠕虫状ミセルの形成は、（ インサイツゲル化によって示されるように）はまだ使用して発生することができその後のPISAの方法論は、わずかに変更された反応時間ではある（セクション2）で発表しました。
PISAを使用して-PBzMAナノ粒子B POEGMA-の調製
Ru（bpyで）3 Clで2。6H 2 Oのエタノール（EtOH）中の1mg / mlのストック溶液を準備します。溶媒の蒸発を最小限に抑えるために冷蔵庫にストック溶液を保管してください。綿ウールの小さな塊がきつく、それをパック助けるために第2のピペットを使用してパスツールピペットを差し込みます。約5cmの列を与えるために脱脂綿プラグ付きピペット内に塩基性酸化アルミニウムを注ぎます。カラムを通して〜BZMAの3ミリリットルを渡すとdeinhibited BZMAの溶離液を収集することにより、商業BZMAでモノメチルエーテルヒドロキノン阻害剤を除去します。POEGMAマクロCTA（〜9000グラム/モル; 76.9 mgであり、8.5×10 -6モル）を追加します。、（0.301グラム、1.71×10 -3モル）BZMAをdeinhibited、ルテニウム（BPY）3 Cl 2の6H 2 O（128μgの、 1.71×10 -7モル、4ミリリットルのガラスバイアルに1mg / mlのエタノールストック溶液の128μl）を、0.383ミリリットルのMeCNおよび1.402ミリリットルのEtOH（1.913ミリリットル全溶媒、80重量％、20（v / v）の％のMeCN） 。ステップ1.2から1.3に概説されているよう脱酸素手順を実行します。2000ミリリットルのガラスビーカー内のバイアルを置きます（ 図2）は、青色LEDストリップが並んで（λ 最大 = 460nmで、0.7ミリワット/ cm 2）を磁気攪拌しながら、室温で照射します。日常的に20時間後に反応バイアルを監視し、バイアルは（ 図3）が反転したときに高粘度液が自立ゲルを形成する場合、反応器からそれを削除。
注意：ここで紹介する条件を用いて、青色光照射の約24時間でなければならない自立ゲルを得るための合計時間を。光照射用原子炉の小さな差（物理的な寸法、強度など ）は、蠕虫状ミセルのin situ形成を達成するためにわずかに変更された条件（具体的には、反応時間）を必要とするかもしれません。反応器から除去した後、数分間空気にナノ粒子ゲルを露出させ、暗所で直立密閉バイアルを格納することによって重合をクエンチしました。
ナノ粒子形態の3透過型電子顕微鏡（TEM）イメージング
粗製のnanopaの約40ミリグラムを配置4ミリリットルのガラスバイアル中（セクション2から）rticleゲル。連続的にボルテックスミキサーを用いて、ナノ粒子ゲルを攪拌し、少なくとも5分間にわたってエタノール滴下を4mlを加えます。ゲルは、溶媒の添加の間、自由流動ソリューションとなるべきです。
注：ゲルがあまりにも急速にか十分に撹拌EtOHで希釈されている場合は、ナノ粒子のいくつかの沈殿が発生する可能性があります。ステップ3.3を参照してください。グラスウールを通して濾過することにより希釈されたナノ粒子からの任意の肉眼で見える凝集物を除去。以前に報告された手順に従って希釈されたサンプルの（酢酸ウラニル染色）のTEM撮影を行う。15
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結果
本研究では、二段階重合プロトコルは、PISAのアプローチ（ 図1）を用いて、蠕虫状ミセルの合成に使用されます。第1のステップでは、OEGMAの重合が続く重合工程において安定化剤として使用することができるPOEGMAマクロCTAを得て行われます。最終的にナノ粒子の形成をもたらすエタノール中PBzMAの不溶性による分散条件下でPET-RAFT重合が進行します。重合の間、最初に透明な反応混合物は分散重合に応じて白濁が観察することができ、最終的にはウォーム様ミセルの形成を示す高粘性のゲル様状態（ 図3）に遷移します。 「リビング」重合の徴候が低いポリマー分散度（D <1.3）と分子ワットとの間に良好な相関関係で（ 図1A）は明らかです8およびモノマー転化。また、GPCトレース（ 図1B）は 、いくつかの高分子終了および低分子量のテーリングは、このシステムで観察されているが、変換を変化させることで、主に単峰性...
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ディスカッション
この可視化プロトコルは、単にゲル様挙動の発生を観察することにより、ウォーム様ミセルの形成を監視する能力を示します。このアプローチの有用性は、他の方法と比較して、重合中にワームの形成をモニターする能力にあります。この手順は、自己組織化POEGMA- Bの -PBzMA両親媒性ジブロックコポリマーを得るために、2つの市販のモノマー（OEGMAとBZMA）の二段階重合法を用いて行うことができます。
図2のものと比較して異なる反応器形状を有する反応器、光強度等が 、蠕虫状ミセルゲルを得るためにわずかに変更された条件を必要とし得ることに留意すべきです。ルテニウム系触媒の吸収特性のために、重合は青色の可視光の下で妥当な速度で発生する可能性があります。原理的には、異なる光吸収特性を有する他の触媒を使用することもできます。ケアは、そうでなければ、巨視的な析出物が形成し始めることが長すぎる反応器内のワームゲルを残さないように注意する必要があります。ナノ粒子は、小胞構造に再編成しようとしたが、高粘性媒体によって阻害されるので、...
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開示事項
著者らは開示するものは何もない。
謝辞
CBは、オーストラリア研究評議会（ARC-FT12010096）およびUNSWオーストラリアからの彼の将来のフェローシップに感謝しています。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 4-シアノ-4- (フェニルカルボノチオイルチオ)ペンタン酸(CPADB) | Sigma-Aldrich | 722995-5G | |
| オリゴ(エチレングリコール)メチルエーテルメタクリレート(OEGMA) | Sigma-Aldrich | 447935-500ML | 平均Mn 300、100 阻害剤としてのppm MEHQ、300 阻害剤としてのppm BHT |
| 2,2′-アゾビス(2-メチルプロピオニトリル)(AIBN) | Sigma-Aldrich | ||
| Ru(bpy)3Cl2.6H2O | Sigma-Aldrich | 544981-1G | |
| メタクリル酸ベンジル(BzMA) | Sigma-Aldrich | 409448-1L | 阻害剤としてモノメチルエーテルハイドロキノンが含まれています |
| アルミニウム(basic) | Chem-Supply Pty Ltd Australia | AL08371000 | |
| 95% Ethanol (EtOH) | Sucrogen Bio Ethanol | 80889 | |
| アセトニトリル (MeCN) | Chem-Supply Pty Ltd オーストラリア | RP1005-G2.5L | |
| テトラヒドロフラン (THF) | Chem-Supply Pty Ltd オーストラリア | TA011-2.5L | |
| 石油スピリッツ (40-60 °C) | Chem-Supply Pty Ltdオーストラリア | PA044-2.5L | |
| ジエチルエーテル | Chem-Supply Pty Ltdオーストラリア | EA0362.5L | |
| ジメチルアセトアミド(DMAc) | VWRインターナショナルオーストラリア | ALFA22916。M1 | GPC分析用 |
| パスツールピペット(230 mm) | Labtek | 355.050.503 | |
| ガラスビーカーLabtek | 025.01.902(2L)/ 2110654(1L) | 2 Lビーカーは、円形の反応器を形成するためにLEDストリップを取り付けるための | |
| 商用LEDストリップ | EcoLab | n/a | λ = 460 nm, 4.8 W/m |
| 4 ml ガラスバイアル | Labtek | APC502214B | |
| 0.9 ml 石英キュベット | Starna Scientific Ltd | 21/Q/2 | |
| 針 (0.8 mm x 38 mm) | ベクトン・ディクソン | 302017 | 脱酸素化反応 |
| 用 ニードル (0.8 mm x 120 mm) | B ブラウン オーストラリア | 4665643 脱酸素反応用 | |
| スリーブストッパー セプタム (ゴム セプタム) | Sigma-Aldrich | z564680/z564702 | |
| 攪拌ホットプレート | VWR インターナショナル オーストラリア/インビトロ テクノロジー | 97018-488/RADRR91200 | |
| ボルテックス ミキサー | VWR インターナショナル オーストラリア | 412-0098 | |
| 真空オーブン | In Vitroテクノロジー | MEMVO200 |
参考文献
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