방법 논문

폴리의 합성 ( N 이소 프로필 아크릴 아미드) 이방성 열 응답 성 및 유기화 / 친수성로드 기능에 대한 야누스 Microhydrogels

DOI:

10.3791/52813

⸱

2016년 2월 27일

 ,  ,  , 
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)

이 논문에서

요약

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

우리는 과포화 NIPAAm 단량체 용액의 상 분리에 대해 명확하게 구획화된 구조 기반을 가진 동일한 기본 물질인 폴리(N-이소프로필아크릴아미드)(PNIPAAm)로 완전히 구성된 Janus 마이크로하이드로겔을 합성하는 프로토콜을 제시합니다. 합성된 Janus 마이크로하이드로겔은 이방성 열 반응성 및 유기친성/친수성 로딩 능력과 같은 고유한 특성을 보여줍니다.

초록

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야누스 미세입자는 양면이 각각 다른 분자 구조 및/또는 기능을 가진 구획화된 입자입니다. 이러한 독특한 특성으로 인해 Janus 미세입자는 새로운 등급의 물질로 인식되어 다양한 연구 분야에서 많은 관심을 받고 있습니다. 이러한 미세입자의 다양성은 자가 조립을 위한 빌딩 블록, 전기적으로 반응하는 액추에이터, 페인팅 및 화장품을 위한 유화제, 약물 전달을 위한 운반체로 사용됨으로써 입증되었습니다. 본 연구에서는 단일 기본 물질인 폴리(N-이소프로필아크릴아미드)(PNIPAAm)로 구성된 새로운 Janus 마이크로하이드로겔을 설계하기 위한 합성 방법을 명시적으로 설명하는 상세한 프로토콜을 소개합니다. Janus 미세액적은 먼저 과포화 수성 NIPAAm 단량체 용액의 분리를 기반으로 하는 유체역학 집속 미세유체 장치(HFMD)를 통해 생성된 다음 UV 조사에 노출되어 중합됩니다. 그 결과 생성된 Janus 마이크로하이드로겔은 완전히 동일한 기본 물질로 구성되어 있고, 쉽게 식별할 수 있는 구획화된 형태를 특징으로 하며, 이방성 열 반응성 및 유기성/친수성 로딩 능력을 나타내는 것으로 밝혀졌습니다. 우리는 제안된 방법이 다기능 Janus 마이크로하이드로겔의 고급 합성 잠재력을 가진 새로운 하이드로겔 플랫폼을 도입한다고 믿습니다.

서론

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하이드로겔은 친수성 폴리머 사슬의 네트워크입니다. 1 하이드로겔 분야에서 점점 더 많은 연구가 진행됨에 따라 상당한 발전이 이루어졌으며 생물학적 조직과의 유사성이 밝혀졌습니다. 하이드로겔의 특성은 구조를 유지하면서 많은 양의 물을 흡수할 수 있습니다. 환경에 반응하는 하이드로겔은 외부 자극에 반응하여 가역적으로 팽창하거나 수축하는 능력 때문에 광범위하게 연구되어 왔습니다. 2 온도, 3-5 pH, 6,7 빛, 8,9 전기장, 10,11 및 포도당,12,13과 같은 특정 분자를 포함한 여러 트리거가 하이드로겔의 기하학적 모양을 제어하는 것으로 제안되었습니다. 현재 사용 가능한 많은 환경 반응성 하이드로겔 중 잘 알려진 열 반응성 하이드로겔인 폴리(N-이소프로필아크릴아미드)(PNIPAAm)는 32°C의 낮은 임계 용액 온도(LCST) 이상에서 부피 수축을 나타냅니다.14 Sasaki 등의 최근 연구. 15는 PNIPAAm의 단량체인 과포화 NIPAAm의 흥미로운 액체-액체 상 분리를 보고했습니다. 이 보고서에 따르면, 과포화 NIPAAm은H2O의 10배 몰 초과량으로 용해되었고, 그 직후 용액은 25°C 이상의 온도에서 견딜 수 있을 때 두 개의 액상으로 분리되었습니다. 대조적으로, 희석된 NIPAAm은 동일한 조건에서 균일하게 용해되었습니다.

환경 반응성 하이드로겔로 만들어진 미세 입자는 약물 전달, 16,17 촉매,18 감지,19,20 및 포토닉스에 적용할 수 있는 매력적인 후보입니다. 21 에멀젼 중합을 포함한 전통적인 합성 방법은 다분산성을 가진 하이드로겔 미세입자를 생산하는 데 사용됩니다. 22,23 그러나 특정 응용 분야에서는 예를 들어 약물 전달의 약동학을 안정화하기 위해 좁은 크기 분포를 가진 미세 입자가 필요합니다. 24 불규칙한 모양이나 다분산성 색전성 미세입자는 근위적으로 클러스터로 응집되어 암 치료를 위한 색전성 입자에서 만성 염증 반응을 일으킵니다. 25,26

년

미세유체 접근법은 좁은 크기 분포와 복잡한 모양을 가진 마이크로 크기의 입자를 제조하는 수단으로 연구의 최전선에 있습니다. 27-31 미세유체 소자에서 미세입자를 제조하는 것의 장점은 미세유체 소자의 작은 특성 길이에 의해 전제되며, 이는 낮은 레이놀즈 수를 초래합니다. 방울이 병렬로 형성되는 기존의 벌크 유화와 달리, 미세유체 장치에서 생성된 미세액적은 직렬로 생성된 후 UV 조사에 노출되면 미세입자로 중합됩니다. 미세유체 장치를 사용한 액적 형성의 기본 원리는 계면 장력과 코어 유체에 작용하는 피복 유체의 전단력 사이의 균형입니다.

액적/입자의 미세유체 제조의 명백한 장점에도 불구하고, 이러한 액적/입자의 내부 형태가 일반적으로 코어 유체의 확산 및 섭동에 의해 방해받기 때문에 동일한 기본 물질로 구성된 Janus 액적/입자는 거의 보고되지 않습니다. 이러한 본질적인 한계를 피하기 위해 최근 두 그룹이 콜로이드 나노 입자의 열 유도 상 분리와 UV 유도 상 분리를 사용하여 Janus 미세 입자를 제조했다고 보고했습니다. 32,33

년

이를 위해 우리는 단일 기본 물질로 완전히 구성된 Janus 마이크로하이드로겔을 합성하고 명확하게 구획화된 형태를 가진 제품을 얻기 위한 미세유체 접근 방식을 보고합니다. 당사의 접근 방식은 과포화 NIPAAm 단량체의 액체-액체 상 분리라는 기본 개념을 기반으로 합니다. 그 결과 생성된 Janus 마이크로하이드로겔은 이방성 열 반응성 및 유기성/친수성 로딩 능력을 포함한 고유한 특성을 갖는 것으로 밝혀졌습니다.

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프로토콜

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포토 리소그래피를 통해 유체 역학을 중심으로 미세 유체 장치 (HFMD)에 대한 마스터 금형 1. 제작

  1. 제조 업체의 프로토콜에 따라 컴퓨터 지원 설계 (CAD) 소프트웨어를 사용하여 HFMD (그림 1a)에 대한 포토 마스크를 디자인합니다.
  2. 웨이퍼로부터 유기 및 무기 먼지를 제거 아세톤, 이소 프로필 알코올 (IPA), 및 탈 (DI) 물 (4 ')의 실리콘 웨이퍼를 씻어.
  3. 웨이퍼와 SU-8의 접합 강도를 증가시키기 위해 5 분 동안 전력 100 W로 O 2 플라즈마로 실리콘 웨이퍼를 청소한다.
  4. 스핀 코트 네가티브 포토 레지스트 4 ㎖, SU-8 2150, 웨이퍼 상에 30 초간 3000 rpm에서 150 μm의 (도 1b에 B1)의 막 두께를 달성한다.
  5. 65 ° C에서 5 분 동안 열판에 SU-8 코팅 된 웨이퍼를 놓고 95 ° C까지 온도를 설정하고 부드러운 빵을 30 분 동안 열판에 웨이퍼를 둡니다.
  6. 배치웨이퍼 위에 포토 마스크를 설계하고 마스크 얼 라이너에 자외선 (260 엠제이 cm -2, 10 mW의 형상 관리 -2 26 초)에 노출 (그림에서 B2 1B).
  7. 핫 플레이트 (5 분 65 ° C 한 후 95 ° C 12 분)에 베이킹 후 노출을 수행합니다.
  8. 10 분간 SU-8 현상액 욕에 침지하여 웨이퍼를 개발하고 깨끗한 표면을 얻기 위하여 5 초 동안 새로운 현상에 옮긴다.
  9. DI 물에 20 초 동안 웨이퍼를 씻어 N 2 가스로 10 초 동안 그것을 건조 (그림에서 B3 1B). 제 2 폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 주조 마스터 몰드로 제작 된 웨이퍼를 사용합니다.

PDMS 주조를 통해 HFMD 2. 제작

  1. PDMS 주조 마스터 주형으로서 제 1에서 얻은 패턴 웨이퍼를 사용한다.
  2. PDMS 예비 중합체 10의 중량 비율로 균일 경화제 믹스 : 1; 예를 들어, PDMS 사전 polym 10g을위한 경화제의 1g을 사용하여어.
  3. 마스터 주형으로 PDMS를 예비 중합체를 붓고 (도 1b에 B4)를 진공 챔버에서 1 시간을 탈기.
  4. 3 시간 동안 65 ° C의 오븐에 PDMS 사전 폴리머와 마스터 몰드를 놓습니다.
  5. 날카로운 메스를 사용하여 단일 칩의 크기로 경화 된 PDMS를 잘라. 조심스럽게 손으로 마스터 몰드로부터 경화 된 PDMS 복제 벗겨.
  6. 반복 동일한 PDMS 복제를 얻기 위해 2.2 2.5 단계.
  7. 입구 펀치와 연결 관의 외경보다 약간 작은 직경을 갖는 홀 - 펀칭기를 사용하여 레플리카 중 하나에 구멍 출구.
  8. 코로나 treater를 사용하여 각 복제의 본딩 영역 행 플라즈마 처리를 적용한다. (34)
    주의 : 오존 발생을 방지하기 위해 통풍이 잘 영역에서 코로나 treater를 사용합니다.
  9. 에어 플라즈마 처리 영역에 메탄올 5 μl를 삭제합니다. 미세 손 manipu으로 HFMD를 제작하는 두 개의 동일한 PDMS 복제를 정렬 LATION, 그리고 (그림 1b에서 B5) 현미경을 통해 정렬을 확인합니다.
    참고 : 공기 플라즈마 처리 된 PDMS 복제가 상당히 끈적하고 조작하기가 어렵다. 따라서, 메탄올 5 μL가 윤활제로서 기능하는 공기 플라즈마 처리 된 표면에 첨가된다.
  10. (그림 1b에서 B6)이 PDMS 복제본 간의 유대를 강화하기 위해 65 ° C 하룻밤으로 설정 오븐에서 HFMD를 놓습니다. 본드 두 동일한 PDMS 복제본 HFMD의 마이크로 채널의 높이를 증가시키고 동작 중에 미세 유체 채널에 미세 방울의 막힘을 방지한다.

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그림 1 : HFMD 제작 절차의 개요 HFMD에 대한 포토 마스크의 () 설계 매개 변수를 설정합니다.. HFMD에 대한 제조 과정의 (b)의 그림입니다.ftp_upload / 52813 / 52813fig1large.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

NIPAAm 풍부한 3. 준비 (N 리치) 및 (N-가난한) 과포화 NIPAAm의 상 분리에 의한 페이즈 NIPAAm 가난한

  1. 볼텍스 믹서를 사용하여 1; 1 AW / w 비로 DI 물 NIPAAm 단량체 녹이고 예를 들어, DI 물 10ml에 NIPAAm의 10g (도 2a의 제 화상)을 녹인다.
    주 : NIPAAm 단량체가 완전히 실온에서 용해되면, 용액을 혼탁 (도 2a의 제 화상)을 보인다. 이 현상은 과포화 NIPAAm 단량체의 용해도 유도 상분리 성공적 발생 제 큐이다.
  2. 단량체 용액을 적어도 15 분 동안 실온에서 수직 자세로 안정 할 수있다. 상부상은 N 리치 상이며, 밀도 하부상은 N 부족한 위상 (도 2a의 세번째 이미지)이다. 일의 밀도전자 N-풍부하고 N-가난한 단계는 각각 0.93 ± 0.01 및 0.99 ± 0.01 g cm -3이다. (15)
  3. 두 단계를 분리 인터페이스가 분명해진다 때, 조심스럽게 피펫을 사용하여이 인터페이스를 방해하지 않고 N-풍부하고 N-가난한 단계에서 단량체 용액 2 ㎖의 압축을 풉니 다.
  4. 상기 추출 된 N-N에 풍부한 광개시제 N 4 mg의 추가, N '가교제로서 -methylenebisacrylamide (MBAAm) 및 4- (2- 히드 록시에 톡시) 페닐 4 mg의 (2- 히드 록시 -2- 프로필) 케톤, 불쌍한 단량체 솔루션은 낮은 가교제 농도의 핵심 유체 1과 2 (2 mg을 ml의-1) 샘플 (B1 및도 2b 그림에서 B2)를 제조 하였다.
  5. 이전 단계 3.3를 반복하고 코어 유체를 제조 추출 N - 풍부 및 N 부족한 단량체 용액의 각각에 MBAAm 80 mg의 4- (2- 히드 록시에 톡시) 페닐 (2- 히드 록시 -2- 프로필) 케톤 4 mg을 추가 도 1 및 높은 가교제 농도가 2 (40 mg을 용액 1) 시료 (B3 및 B4도URE 2B).
  6. (도 2b에서 B5) 피복 액을 제조 광유로 오일의 계면 활성제 10 중량 %를 녹인다.

figure-protocol-2
그림 2 :. 야누스 Microhydrogel 합성 자재 준비 () 과포화 NIPAAm의 상 분리를 통해 N-풍부하고 N-가난한 단량체 솔루션의 준비. (b)는 재료 및 프로토콜에 사용 된 실험 장치의 세부 사항입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

야누스 Microhydrogels 4. 합성 HFMD를 사용하여

  1. 로드 핵심 유체의 2 ml의 1, 2 (B1, B2 또는 B3, B4에서 인터넷 gure 2B) 세 개의 분리 된 3 ㎖ 주사기로하고 칼집 유체 (그림 2b에 B5). 리>
  2. 주사기 펌프에 주사기를 탑재하고 튜브 (그림을 사용하는 (B). 수집 저수지에 HFMD의 유체 출구를 연결하는 튜브를 사용하여 HFMD의 적절한 유체 입구에 각 주사기를 연결합니다.
  3. 각각의 주사기 펌프 세트 2, 2, 10 μL 분 -1의 유량으로 코어 (1) 및 액체 (2)와 피복 유체를 주입.
  4. (선택적) 조정은 코어 (1) 및 (2) 유체의 유량 야누스 microdroplet 양쪽의 상대적 음량 비율을 조정한다.
  5. 수직으로 1cm 정도 떨어진 수집 저장조로부터 UV 광원을 배치. UV 광원에 전환하고 시각적으로 야누스 microhydrogels의 지속적인 생산을 모니터링 할 수 있습니다.
    주의 : UV 보호 - 고글 microhydrogel 생산을 모니터링.
  6. 원뿔 튜브로 제작 된 야누스 microhydrogels를 수집하고 IPA를 사용하여 세척한다. 그런 다음, 원뿔 튜브 (5 분 780g)을 해결하기 위해 원심 분리microhydrogels.
  7. 반복 단계 4.6 여러번 완전 야누스 microhydrogels 주변 광유를 제거한다.
  8. 0.005 %의 물 계면 활성제와 단계를 반복 4.6 만 사용 DI 물 (v / v)로 대신 IPA의 야누스 microhydrogels 주위에 남은 IPA를 제거합니다.
  9. 10 ㎖의 유리 병 포함 DI 물에 완전히 세척 야누스 microhydrogels를 저장합니다.

야누스 Microhydrogels의 이방성 열 응답 성 5. 분석

  1. 24 웰 플레이트에 제 4 절에서 합성 야누스 microhydrogels을 배치 피펫을 사용합니다. 단층 웰의 바닥면에 형성 될 때까지 15 초 microhydrogels 정착 할 수있다.
  2. 5 배 대물 렌즈와 수직 광학 현미경을 사용하여 24 ° C에서 야누스 microhydrogel의 이미지를 얻습니다.
  3. 웰 플레이트에 따라 열전 모듈을 설정하고 야누스 마이크로 함유 용액의 온도를 증가시키기 위해이 모듈의 전압을 제어32 ° C에 하이드로 겔.
  4. 32 ℃에서 다시 한번 5 배 대물 렌즈와 수직 광학 현미경을 사용하여 야누스 microhydrogel의 이미지를 얻습니다.
  5. 반복 통계 분석에 대해 다른 야누스 microhydrogel을 선택 돌보는, 5.2-5.4 24 번 단계를 반복합니다.
  6. 24 및 32 ℃에서 여러 야누스 microhydrogels 25의 이미지에서, 제조자의 지시에 따른 이미지 분석 소프트웨어를 사용 야누스 microhydrogels의 PN-풍부한 PN 부족한 부분의 반경을 측정한다.

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결과

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도 3a는 HFMD 통해 야누스 microhydrogels를 합성하는 데 사용되는 실험 장치의 개략도를 나타낸다. N - 풍부 및 N 부족한 상 정확하게 코어 유체 1 및 2로 HFMD에 주입 한 후 병합 때문에 레일리 모세관 불안정 광유 시스 액에 의한 오리피스에서 야누스 미세 방울로 분해 하였다. 도 3b에 도시 된 바와 같이 결과적으로, N-N 풍부한 부족한 상 이루어지는 야누스 미세 방울 성공적으로 생성되었다. 미세 방울의 직경은 2 % 미만의 편차 (CV)의 계수가 190 ㎛,. 두 상을 안정적으로 분리되어 있기 때문에 미세 방울의 야누스 명확 구획 내부 형태를 관찰 하였다. 각각의 위상이 다른 섞이지하고 상 사이의 확산은 거의 무시할 수 있음에 유의해야한다. microdroplet 내부 N - 풍부 및 N 부족한상의 부피비 C였다도 3c에 도시 된 바와...

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토론

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두 비혼 화성 기재는 일반적으로 야누스 microhydrogels를 합성하는데 사용된다. 최근까지, 동일한 기재로 이루어지는 야누스 microhydrogels이 드물게보고하고,보고 야누스 microhydrogels 인해 성분 물질의 혼 화성에 의한 외란에 투명한 내부 형태를 가지고 있지 않았다.이 프로토콜 35, 36, 우리는 방법을 보여 명확 실형 구조 전적으로 단일 모재 PNIPAAm 이루어지는 야누스 microhydrogels를 합성.

야누스 microhydrogels 합성에 중요한 단계로, 우리는 과포화 NIPAAm 단량체 용액의 상분리 현상을 소개했다. 상분리 현상 수집 N - 풍부 및 N-불량한 위상 솔루션은 비혼 화성이고 N-N-풍부한 불량한 위상 간의 교란은 거의 무시할 수있다. 야누스 미세 방울의 N-풍부하고 N-가난한 위상이 비 혼합은 엄마였다HFMD에 intained과 야누스 microhydrogels의 형태도 중합 후 보존되었다.

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공개 사항

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저자는 경쟁하는 금전적 이해관계가 없음을 선언합니다.

감사의 글

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본 연구는 한국연구재단(NRF)의 지원으로 이루어졌으며(MSIP(제2014R1A2A1A01006527호, 제2011-0030075호)).

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
실리콘 웨이퍼LG Siltron4",마스터 몰드 제작을 위한
아세톤삼천 순수 화학A0097세정 실리콘 웨이퍼
이소프로필 알코올(IPA)대정화학& 금속5035-4404클리닝 실리콘 웨이퍼
정수 시스템Merck MilliporeEMD Millipore RIOs 필수 5준비   탈이온수
O2 플라즈마 기계Femto ScienceVITA-A클리닝 실리콘 웨이퍼
SU-8 2150 네거티브 포토레지스트MicroChemY111077 0500L1GL마스터 몰드 제조용 포토레지스트
핫 플레이트: Misung ScientificHP330D, HP150D베이킹 SU-8
SU-8 개발자MicrochemY020100 4000L1PE
광석사화학용 SU-8 마스크 얼라이너 시스템Shinu Mst Co.CA-6M포토리소그래피
Sylgard 184 실리콘 엘라스토머 키트다우 코닝1064891PDMS 주조
실험실 코로나 처리기전기 기술 제품 Inc.모델 BD-20ACPDMS 공기 플라즈마 처리 
N-isopropylacrylamide (NIPAAm)Sigma-Aldrich415324-50GMonomer
N,N'-methylenebisacrylamide (MBAAm)Sigma-Aldrich146072-100GNIPAAm
4-(2-hydroxyethoxy)phenyl-(2-hydroxy-2-propyl)ketone, Irgacure 2959BASF55047962NIPAAm
ABIL EM 90 산업201109에 대한 Sufactant
Vortex-Genie 2Mixing
Tygon 튜빙Saint-GobainI.D. 1/32", O.D. 3/32", Wall 1/32"주사기와 HFMD 사이의 연결 튜브
UV 광원HamamatsuSpot 광원 LC8NIPAAm에서 PNIPAAm 주사기로 중합
NORM-JECT (3 ml)Henke-Sass Wolf GmbH22767재료 적재
주사기 펌프KD 과학적인KDS 모델 200재료의 관류
Tegitol 유형 NP-10시그마 - 알드리치NP10-500ML물 용 계면 활성제
오일 레드 O시그마 알드리치O0625-25G염료 N - 리치 위상
오일 블루 N시그마 - 알드리치391557-5G염료 N - 리치 위상
노란색 식품 염료에덴타운 F & BNAN-poor 위상
녹색 식품 염료Edentown F & BNAN-불량상용 염료
전원 공급 장치AgilentE3649A열전 모듈용 전원
열전 모듈PeltierFALC1-12710T125온도 제어
원심분리기 기계Labogene1248R침전 마이크로하이드로겔
24웰 플레이트SPL Life Sciences32024관찰용 저장소
광학 현미경NikonECLIPSE 80i광학 관찰
이미지 분석 소프트웨어IMT i-Solution Inc.iSolutions DT반경 측정
테스트 등급 웨이퍼 개발 Evonik의 광개시제 기름 소용돌이 믹서 과학 산업 Inc.,

참고문헌

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