Dit artikel beschrijft een proces voor het produceren van zelfgeassembleerde polymere nanodeeltjes met behulp van zichtbare licht gemedieerde dispersiepolymerisatie. Het gebruik van zichtbaar licht met lage energie om de polymerisatie te controleren, maakt de reproduceerbare vorming van zelfgeassembleerde worm-achtige micelles mogelijk bij een hoog vast stofgehalte.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Facile Synthese van Worm-micellen door het zichtbare licht Mediated Dispersion polymerisatie onder toepassing van Photoredox Catalyst
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Hier wordt een protocol gepresenteerd voor de eenvoudige synthese van wormachtige micellen door middel van dispersiepolymerisatie onder zichtbaar licht. Deze aanpak begint met de synthese van een hydrofiele poly(oligo(ethyleenglycol)methylethermethacrylaat) (POEGMA) homopolymeer met behulp van reversibele additie-fragmentatiekettingoverdracht (RAFT) polymerisatie. Onder milde zichtbare lichtbestraling (λ = 460 nm, 0.7 mW/cm2), kan dit macro-kettingoverdrachtsmiddel (macro-CTA) in aanwezigheid van een op ruthenium gebaseerde fotoredox-katalysator, Ru(bpy)3Cl2, worden uitgebreid met een tweede monomeer om een goed gedefinieerd blokcopolymeer te vormen in een proces dat bekend staat als Foto-geïnduceerde Elektronenoverdracht RAFT (PET-RAFT). Wanneer PET-RAFT wordt gebruikt om POEGMA met benzylmethacrylaat (BzMA) in ethanol (EtOH) te kettingverlengen, worden polymere nanodeeltjes met verschillende morfologieën in situ gevormd volgens een door polymerisatie geïnduceerde zelfsamenstelling (PISA) mechanisme. Zelfsamenstelling tot nanodeeltjes die POEGMA ketens presenteren in de corona en poly(benzylmethacrylaat) (PBzMA) ketens in de kern, vindt in situ plaats vanwege de groeiende onoplosbaarheid van de PBzMA blok in ethanol. Interessant is dat de vorming van zeer zuivere wormachtige micellen eenvoudig kan worden gemonitord door het begin van een zeer viskeuze gel in situ te observeren als gevolg van nanodeeltjesverstrikking die optreedt tijdens de polymerisatie. Dit proces maakt daardoor een meer reproduceerbare synthese van wormachtige micellen mogelijk door eenvoudig de oplossingsviscositeit te monitoren tijdens het beloop van de polymerisatie. Bovendien kan de lichtstimulatie intermitterend worden toegepast op een AAN/UIT-manier, wat een tijdelijke controle over de nanodeeltjesmorfologie aantoont.
Inleiding
De synthese van sferische (en andere) nanodeeltjes morfologieën Traditioneel wordt bewerkstelligd met behulp van een meerstaps zelfassemblage procedure begint met de synthese en zuivering van welbepaalde amfifiele diblokcopolymeren (of multiblok) copolymeren. Een van de meest voorkomende zelfassemblage technieken werd populair door Eisenberg in de jaren 1990 en omvat het oplossen van het amfifiele blokcopolymeer in een gemeenschappelijk oplosmiddel voor beide polymeerblokken gevolgd door de langzame toevoeging van een oplosmiddel dat selectief is voor één van de blokken 1-3 . Het selectieve oplosmiddel (meestal water) wordt toegevoegd, het blokcopolymeer ondergaat zelfassemblage polymere nanodeeltjes. De uiteindelijke morfologie (of mengsels van morfologieën) van de nanodeeltjes worden bepaald door een groot aantal factoren, zoals de relatieve lengtes van elk polymeerblok, snelheid van watertoevoeging en de aard van de gemeenschappelijke solvent. Deze benadering algemeen alleen maakt de productie van nanoparkelen bij relatief lage vastestofgehalte (minder dan 1 gew%) en dus beperkt de praktische schaalbaarheid 4. Bovendien kan de reproduceerbare vorming van "intermediaire" fasen zoals wormachtige micellen moeilijk zijn gezien de beperkte serie benodigd bij deze sferische morfologie 5 te stabiliseren.
De polymerisatie-geïnduceerde zelfassemblage (PISA) aanpak heeft gedeeltelijk de nadelen van de Eisenberg benadering door gebruikmaking van de polymerisatiewerkwijze zelf zelfassemblage rijden in situ waardoor nanodeeltjes synthese bij veel hogere vaste stofgehalte (kenmerkend 10-30 gew%) 6 -8. In een typische PISA benadering wordt een levende polymerisatie proces waarmee ketenverlenging oplosmiddel oplosbare macro-initiator (of macro-CTA) met een monomeer die aanvankelijk oplosbaar is in het reactiemedium, maar vormt een onoplosbaar polymeer. De PISA benadering is gebruikt om wormachtige micellen synthetiseren systematisch testen van een aantal ex perimental parameters en met behulp van gedetailleerde fasediagrammen als een synthetisch "roadmap" 5,9.
Ondanks hun moeilijke synthese, is er grote belangstelling wormachtige nanodeeltjes vanwege hun interessante eigenschappen ten opzichte van hun tegenhangers bolvormig. Zo hebben we aangetoond dat geneesmiddel beladen korte en lange wormachtige micellen gesynthetiseerd onder toepassing van een aanpak PISA significant hoger in vitro cytotoxiciteit vergeleken met sferische micellen of vesicles 10. Anderen hebben een correlatie tussen nanodeeltje aspect ratio en de bloedcirculatie tijd getoond in in vivo modellen 11. Anderen hebben aangetoond dat de synthese van wormachtige nanodeeltjes met een geschikt PISA methodologie levert een macroscopische gel door nanoschaal verstrengeling van de nanodeeltjes filamenten. Deze gels hebben potentieel als steriliseerbaar gels vanwege hun thermoreversibele sol-gel gedrag 12 getoond.
NHOUD "> Dit protocol beschrijft een werkwijze mogelijkheid van het in situ bewaking van de vorming van wormachtige micellen door simpelweg observeren van de oplossingsviscositeit tijdens de polymerisatie. Eerdere studies soortgelijke wormachtige micellaire gels hebben aangetoond dat boven een kritische temperatuur, deze nanodeeltjes ondergaan omkeerbare worm bol overgang en vormen zo vrijvloeiend dispersies bij verhoogde temperaturen. tot op heden zijn deze systemen een thermisch gevoelige azoverbinding de gecontroleerde polymerisatie 13,14 en dus geleren niet onmiddellijk kunnen worden waargenomen in deze systemen gebruikt leiden tijdens de thermische polymerisatie. uit deze studies werd verondersteld dat PISA synthese verkregen nanodeeltjes bij lagere temperaturen mogelijk maken waarnemingen van deze geleringsgedrag in situ.Meldde onlangs we het gebruik van een gemakkelijke kamertemperatuur fotopolymerisatie techniek om de PISA proces om nanodeeltjes verkregen mediërenverschillende morfologieën 15. Hier wordt een gevisualiseerd gepresenteerde protocol voor de reproduceerbare synthese van wormachtige micellen en houdt de oplossingsviscositeit gedrag tijdens de polymerisatie. De dispersiepolymerisatie direct plaatsheeft gebruikmaking van commercieel verkrijgbare lichtdiodes (LEDs) (λ = 460 nm, 0,7 mW / cm 2).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Synthese en karakterisering van POEGMA Macro-CTA
- Oligo (ethyleen glycol) methyl ether methacrylaat (OEGMA) (12 g, 4 x 10 -2 mol), 4-cyaan-4- (phenylcarbonothioylthio) pentaanzuur (CPADB) (0,224 g, 8 x 10 -4 mol) toe, 2,2'-azobis (2-methylpropionitril) (AIBN) (16,4 mg, 0,1 mmol) en 50 ml acetonitril (MeCN) in een 100 ml rondbodemkolf.
- De erlenmeyer met geschikte afmetingen rubber septum en staaldraad en laat de kolf kamertemperatuur tot <4 ° C in een ijs-waterbad.
- Deoxygenate de kolf gedurende 30 min door stikstof direct in het reactiemengsel door een 21 G naald (0,8 mm x 120 mm) met een tweede 21 G naald (0,8 mm x 38 mm) fungeren als ontluchting.
- Plaats de kolf in een oliebad bij 70 ° C gedurende 5,5 uur voor het afschrikken de polymerisatie door onderdompeling in een ijs-waterbad en de inhoud bloot te stellen aan lucht.
- Verwijder de MeCN door roeren onder acontinue persluchtstroom en opnieuw los het ruwe mengsel in ~ 40 ml tetrahydrofuran (THF).
- Voeg de inhoud van de kolf druppelsgewijs aan 400 ml van een snel geroerd mengsel van aardoliefracties (kookpunt 40-60 ° C) en diethylether (70:30, v / v) en blijf roeren totdat het supernatant niet meer troebel.
Noot: koelen in een ijsbad kan worden gebruikt om het neerslaan te versnellen. - Decanteer het supernatant en weer los het residu op in polymeer ~ 40 ml THF.
- Herhaal de precipitatie werkwijze (stappen 1,5-1,7) ten minste twee keer om volledige verwijdering van het resterende monomeer OEGMA waarborgen. Verwijder het oplosmiddel uit de gezuiverde POEGMA macro-CTA enerzijds door roeren onder een continue stroom van perslucht en drogen in een vacuümoven (20 ° C, 10 mbar) gedurende 4 uur.
- Bepaal het aantalgemiddelde molecuulgewicht van het POEGMA macro-CTA Nuclear Magnetic Resonance (NMR) (Mn, NMR) onder toepassing van een eerder beschreven werkwijze 15. Middels gelpermeatiechromatografie 15 (GPC) (dimethylaceetamide als mobiele fase en geschikt voor ijkingsdoeleinden) bepaal het poly- dispersiteit (D).
Let op: Het gebruik van de bovenstaande synthese (stappen 1,1-1,8) moet een POEGMA macro-CTA met Mn, NMR = 9.000, en Ð <1,15 opleveren. Als het molecuulgewicht (en dispersiteit) van de gesynthetiseerde POEGMA macro-CTA verschilt van de synthese hier gepresenteerde (tussen 7000 - 1000 g / mol), de vorming van wormachtige micellen (zoals aangegeven door in situ gelering) nog altijd mogelijk via de daaropvolgende PISA methodiek gepresenteerd in (deel 2), zij het in een iets gewijzigde reactietijd.
2. Voorbereiding van POEGMA- b -PBzMA nanodeeltjes door middel van PISA
- Maak een 1 mg / ml voorraadoplossing van Ru (bpy) 3 Cl 2. 6H 2 O in ethanol (EtOH). Bewaar de voorraadoplossing in de koelkast om oplosmiddelverdamping te minimaliseren.
- Sluit een Pasteur pipet met een kleine prop watten met behulp van een tweede pipet te helpen inpakken het strak. Pour basisch aluminiumoxide in de pipet met watten prop op een kolom van ongeveer 5 cm te geven. Verwijder de monomethylether hydrochinon inhibitor commerciële BzMA door het passeren ~ 3 ml BzMA door de kolom en het verzamelen van de deinhibited BzMA eluent.
- Voeg POEGMA macroCTA (~ 9000 g / mol, 76,9 mg, 8,5 x 10 -6 mol)., Deinhibited BzMA (0,301 g, 1,71 x 10 -3 mol), Ru (bpy) 3 2 Cl 6H 2 O (128 ug, 1,71 x 10 -7 mol, 128 ui van een 1 mg / ml voorraadoplossing in ethanol), 0,383 ml MeCN en 1,402 ml EtOH (1,913 ml totaal oplosmiddel 80 gew%, 20 v / v% MeCN) een 4 ml glazen flesje .
- Voer de deoxygenatie procedure zoals beschreven in stappen 1.2-1.3.
- Plaats de flacon in een 2000 ml bekerglas (figuur 2) bekleed met blauwe LED-strips (λ max = 460nm, 0,7 mW / cm 2) en bestralen bij kamertemperatuur onder magnetisch roeren. Controleer de reactieflacon gewoonlijk na 20 uur en verwijderen uit de reactor als de hoge viscositeit oplossing vormt een vrijstaande gel bij het flesje omgekeerd (Figuur 3).
Opmerking: De totale tijd om een vrijstaande gel verkregen moet ongeveer 24 h blauw licht bestraling met de hier gepresenteerde omstandigheden. Kleine verschillen in het licht bestraling reactoren (fysieke afmetingen, intensiteit, etc.) kunnen enigszins andere omstandigheden (met name reactietijd) nodig hebben om de in situ vorming van wormachtige micellen bereiken. - Na het verwijderen uit de reactor, doven de polymerisatie bij blootstellen van de gel nanodeeltjes lucht gedurende enkele minuten en opslaan van de gesloten injectieflacon rechtop in het donker.
3. transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) beeldvorming van nanodeeltjes morfologie
- Leg ongeveer 40 mg van het ruwe nanopaArtikel gel (uit paragraaf 2) in een 4 ml glazen flacon.
- Continu roeren de nanodeeltjes onder toepassing van een vortex mixer en voeg 4 ml EtOH druppelsgewijs in een periode van tenminste 5 min. De gel moet een vrijstromend oplossing tijdens de oplosmiddeladditievormen geworden.
Opmerking: Als de gel te snel of onvoldoende geroerd verdund met EtOH, wat precipitatie van nanodeeltjes optreden. Zie stap 3.3. - Verwijder eventuele macroscopische aggregaten uit het verdunde nanodeeltjes door te filteren door glaswol.
- Voer TEM beeldvorming (met uranyl acetaat kleuring) van het verdunde monster volgens een eerder beschreven procedure. 15
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
In deze studie wordt tweestaps polymerisatie protocol voor de synthese van wormachtige micellen met een PISA benadering (figuur 1). In de eerste stap wordt de polymerisatie van OEGMA uitgevoerd waarbij een POEGMA macro-CTA die kan worden gebruikt als stabilisator in de volgende polymerisatiestap. De opbrengst polymerisatie PET-VLOT onder dispersie omstandigheden als gevolg van de onoplosbaarheid van PBzMA in ethanol wat uiteindelijk leidt tot de vorming van nanodeeltjes....
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Deze gevisualiseerd protocol toont het vermogen om de vorming van micellen wormachtige controleren simpelweg door naar het begin van gel-achtig gedrag. De bruikbaarheid van deze aanpak ligt in het vermogen om de vorming worm tijdens de polymerisatie te controleren in vergelijking met andere methoden. Deze procedure kan worden uitgevoerd onder toepassing van een tweestaps polymerisatie van twee commercieel verkrijgbare monomeren (OEGMA en BzMA) zelf-geassembleerde POEGMA- b -PBzMA amfifiele diblokcopolymeren ver...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
CB is dankbaar voor zijn Future Fellowship van de Australian Research Council (ARC-FT12010096) en UNSW Australia.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 4-Cyano-4- (phenylcarbonothioylthio)pentanoic acid (CPADB) | Sigma-Aldrich | 722995-5G | |
| Oligo(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (OEGMA) | Sigma-Aldrich | 447935-500ML | Gemiddelde Mn 300, bevat 100 ppm MEHQ als remmer, 300 ppm BHT als remmer |
| 2,2'-Azobis(2-methylpropionitrile) (AIBN) | Sigma-Aldrich | ||
| Ru(bpy)3Cl2.6H2O | Sigma-Aldrich | 544981-1G | |
| Benzyl methacrylate (BzMA) | Sigma-Aldrich | 409448-1L | Bevat monomethylether hydrochinon als remmer |
| Aluminium oxide (basic) | Chem-Supply Pty Ltd Australia | AL08371000 | |
| 95% Ethanol (EtOH) | Sucrogen Bio Ethanol | 80889 | |
| Acetonitrile (MeCN) | Chem-Supply Pty Ltd Australia | RP1005-G2.5L | |
| Tetrahydrofuran (THF) | Chem-Supply Pty Ltd Australia | TA011-2.5L | |
| Petroleum Spirits (40-60 °C) | Chem-Supply Pty Ltd Australia | PA044-2.5L | |
| Diethyl Ether | Chem-Supply Pty Ltd Australia | EA0362.5L | |
| Dimethylacetamide (DMAc) | VWR International Australia | ALFA22916.M1 | Voor GPC-analyse |
| Pasteur pipetten (230 mm) | Labtek | 355.050.503 | |
| Glazen bekers | Labtek | 025.01.902 (2L)/ 2110654 (1L) | 2 L beker is voor het bevestigen van LED-strips om de cirkelvormige reactor te vormen |
| Commerciële LED-strip | EcoLab | n/a | λ = 460 nm, 4.8 W/m |
| 4 ml glazen vials | Labtek | APC502214B | |
| 0.9 ml Quartz Cuvet | Starna Scientific Ltd | 21/Q/2 | |
| Naald (0.8 mm x 38 mm) | Beckton Dickson | 302017 | Voor deoxygenating reacties |
| Naald (0.8 mm x 120 mm) | B Braun Australia | 4665643 | Voor deoxygenating reacties |
| Hulsluiting met septum (rubber septum) | Sigma-Aldrich | z564680/z564702 | |
| Roerende hotplates | VWR International Australia/In Vitro Technologies | 97018-488/RADRR91200 | |
| Vortexmixer | VWR International Australia | 412-0098 | |
| Vacuumoven | In Vitro Technologies | MEMVO200 |
Referenties
- Yu, Y., Eisenberg, A. Control of Morphology through Polymer−Solvent Interactions in Crew-Cut Aggregates of Amphiphilic Block Copolymers. J. Am. Chem. Soc. 119 (35), 8383-8384 (1997).
- Zhang, L., Eisenberg, A. Thermodynamic vs Kinetic Aspects in the Formation and Morphological Transitions of Crew-Cut Aggregates Produced by Self-Assembly of Polystyrene-b-poly(acrylic acid) Block Copolymers in Dilute Solution. Macromolecules. 32 (7), 2239-2249 (1999).
- Zhang, L., Eisenberg, A. Multiple Morphologies of 'Crew-Cut' Aggregates of Polystyrene-b-poly(acrylic acid) Block Copolymers. Science. 268 (5218), 1728-1731 (1995).
- Yu, K., Zhang, L., Eisenberg, A. Novel Morphologies of "Crew-Cut" Aggregates of Amphiphilic Diblock Copolymers in Dilute Solution. Langmuir. 12 (25), 5980-5984 (1996).
- Blanazs, A., Ryan, A. J., Armes, S. P. Predictive Phase Diagrams for RAFT Aqueous Dispersion Polymerization: Effect of Block Copolymer Composition, Molecular Weight, and Copolymer Concentration. Macromolecules. 45 (12), 5099-5107 (2012).
- Ladmiral, V., Semsarilar, M., Canton, I., Armes, S. P. Polymerization-induced self-assembly of galactose-functionalized biocompatible diblock copolymers for intracellular delivery. J. Am. Chem. Soc. 135 (36), 13574-13581 (2013).
- Sugihara, S., Blanazs, A., Armes, S. P., Ryan, A. J., Lewis, A. L. Aqueous Dispersion Polymerization: A New Paradigm for in Situ Block Copolymer Self-Assembly in Concentrated Solution. J. Am. Chem. Soc. 133 (39), 15707-15713 (2011).
- Wan, W. M., Hong, C. Y., Pan, C. Y. One-pot synthesis of nanomaterials via RAFT polymerization induced self-assembly and morphology transition. Chem. Comm. (39), 5883-5885 (2009).
- Semsarilar, M., Jones, E. R., Blanazs, A., Armes, S. P. Efficient Synthesis of Sterically-Stabilized Nano-Objects via RAFT Dispersion Polymerization of Benzyl Methacrylate in Alcoholic Media. Adv. Mater. 24 (25), 3378-3382 (2012).
- Karagoz, B., et al. Polymerization-Induced Self-Assembly (PISA) - control over the morphology of nanoparticles for drug delivery applications. Polym. Chem. 5 (2), 350-355 (2014).
- Geng, Y., et al. Shape effects of filaments versus spherical particles in flow and drug delivery. Nat Nano. 2 (4), 249-255 (2007).
- Blanazs, A., et al. Sterilizable gels from thermoresponsive block copolymer worms. J. Am. Chem. Soc. 134 (23), 9741-9748 (2012).
- Pei, Y., Thurairajah, L., Sugita, O. R., Lowe, A. B. RAFT Dispersion Polymerization in Nonpolar Media: Polymerization of 3-Phenylpropyl Methacrylate in n-Tetradecane with Poly(stearyl methacrylate) Homopolymers as Macro Chain Transfer Agents. Macromolecules. 48 (1), 236-244 (2015).
- Fielding, L. A., Lane, J. A., Derry, M. J., Mykhaylyk, O. O., Armes, S. P. Thermo-responsive Diblock Copolymer Worm Gels in Non-polar Solvents. J. Am. Chem. Soc. 136 (15), 5790-5798 (2014).
- Yeow, J., Xu, J., Boyer, C. Polymerization-Induced Self-Assembly Using Visible Light Mediated Photoinduced Electron Transfer-Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer Polymerization. ACS Macro Lett. 4 (9), 984-990 (2015).
- Xu, J., Jung, K., Corrigan, N. A., Boyer, C. Aqueous photoinduced living/controlled polymerization: tailoring for bioconjugation. Chem. Sci. 5 (9), 3568-3575 (2014).
- Pei, Y., et al. RAFT dispersion polymerization of 3-phenylpropyl methacrylate with poly[2-(dimethylamino)ethyl methacrylate] macro-CTAs in ethanol and associated thermoreversible polymorphism. Soft Matter. 10 (31), 5787-5796 (2014).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
