Synthese van monodispers cilindrische nanodeeltjes via kristallisatie-gedreven zelf-assemblage van biologisch afbreekbaar blok copolymeren

Samenvatting

Kristallisatie-gedreven zelf-assemblage (CDSA) toont de unieke capaciteit om cilindrische nanostructures van smalle lengte distributies te fabriceren. De organocatalyzed ring-opening polymerisatie van Epsilon-caprolacton en de daaropvolgende keten uitbreidingen van methyl methylmethacrylaat en n, n-dimethyl acrylamide worden aangetoond. Een levende CDSA protocol dat produceert monodispers cilinders tot 500 nm in lengte is geschetst.

Samenvatting

De productie van monodispers cilindrische micellen is een belangrijke uitdaging in de polymeerchemie. De meeste cilindrische constructies gevormd uit diblok copolymeren worden geproduceerd door een van de drie technieken: dunne film rehydratie, oplosmiddel schakelen of polymerisatie-geïnduceerde zelf-assemblage, en produceren alleen flexibele, polydispersie cilinders. Kristallisatie-gedreven zelf-assemblage (CDSA) is een methode die cilinders met deze eigenschappen kan produceren, door structuren van een lagere kromming te stabiliseren toe te schrijven aan de vorming van een kristallijne kern. Echter, de levende polymerisatie technieken waarbij de meeste core-vormende blokken worden gevormd zijn niet triviale processen en de CDSA proces kan opleveren onbevredigende resultaten indien verkeerd uitgevoerd. Hier wordt de synthese van cilindrische nanodeeltjes uit eenvoudige reagentia getoond. Het drogen en zuiveren van reagentia voorafgaand aan een ring-opening polymerisatie van Epsilon-caprolacton die door difenyl fosfaat wordt gekatalyseert wordt beschreven. Dit polymeer is dan keten uitgebreid door methyl methylmethacrylaat (MMA), gevolgd door n, n-dimethyl acrylamide (DMA) met behulp van omkeerbare toevoeging − fragmentatie keten-Transfer (RAFT) polymerisatie, bieden een triblock copolymeer die kan ondergaan CDSA in Ethanol. De levende CDSA proces is geschetst, de resultaten van die opleveren cilindrische nanodeeltjes tot 500 nm in lengte en een lengte spreiding zo laag als 1,05. Verwacht wordt dat deze protocollen zullen toestaan dat anderen cilindrische nanostructures te produceren en verheffen het gebied van CDSA in de toekomst.

Inleiding

Een-dimensionale (1D) nanostructures, zoals cilinders, vezels en buizen, hebben vergaard toenemende aandacht in een verscheidenheid van gebieden. Onder deze, hun populariteit in Polymer Science is verschuldigd aan hun rijke verscheidenheid van eigenschappen. Bijvoorbeeld, Geng et al. aangetoond dat filomicelles vertonen een tien keer stijging van de verblijfstijd in de bloedbaan van een knaagdier model in vergelijking met hun sferische tegenhangers, en won et al. bleek dat butadieen-b-poly (ethyleenoxide) Fiber dispersies tonen een toename van de opslag modulus door twee ordes van grootte op crosslinking van de kern tijdens Rheologische metingen^1,2. Interessant, zijn veel van deze systemen gesynthetiseerd via de zelf-assemblage van blok copolymeren, of dit nu door meer traditionele methoden van oplosmiddel schakelen en dunne-film rehydratie³, of meer geavanceerde methoden, zoals polymerisatie-veroorzaakte zelf-assemblage en kristallisatie-gedreven zelf-assemblage (CDSA)^4,5. Elke techniek heeft zijn eigen voordelen, maar alleen CDSA kan stijve deeltjes produceren met een uniforme en beheersbare lengte verdeling.

Baanbrekend werk van Gilroy et al. gevormd lange polyferrocenylsilane-b-POLYDIMETHYLSILOXAAN (PFS-PDMS) cilinders in hexaan en, bij gebruik van milde sonication, zeer korte cilinders met een lage contour lengte dispersie (L_n). Op de toevoeging van een vooraf bepaalde massa van diblok copolymeer kettingen in een gemeenschappelijk oplosmiddel, werden de cilinders van variërende lengten met een L_n zo laag zoals 1,03 gesynthetiseerd^5,6. Verder werk van de Manners groep benadrukte de hoge mate van controle mogelijk met de PFS-systeem, die kunnen worden gebruikt om te vormen opvallend complexe en hiërarchische structuren: Block-co-micellen, sjaal vormige en halter micellen om een paar te noemen^{7, 8}. na deze demonstraties, onderzochten de onderzoekers andere, meer functionele systemen voor CDSA met inbegrip van: semi-kristallijne grondstoffen polymeren (polyethyleen, poly(epsilon-caprolacton), polylactide)^{9,10 ,11,12,13} en het uitvoeren van polymeren (poly (3-hexylthiophene), polyselenophene)^14,15. Gewapend met deze Toolbox van diblok copolymeer systemen die snel en efficiënt kunnen worden geassembleerd, hebben onderzoekers de laatste jaren¹⁶meer applicatie gericht onderzoek uitgevoerd.  Jin et al. hebben aangetoond exciton diffusie lengtes in de honderden nanometers in polythiophene blok copolymeren en onze groep aangetoond dat de vorming van gels uit poly (epsilon-caprolacton) (PCL) met cilindrische constructies^{10, 17}.

Hoewel het een krachtige techniek is, heeft CDSA zijn beperkingen. De blok copolymeren moeten een semi-kristallijne component, evenals lage verspreidings waarden en high-end groeps Fideles hebben; lagere order blok contaminanten kunnen deeltjes aggregatie veroorzaken of morfologie veranderingen induceren^18,19. Wegens deze beperkingen, worden de levende polymerisatie gebruikt. Nochtans, zijn de significante reagens reiniging, het drogen procedures en de water/zuurstofvrije milieu's vereist om polymeren met de bovengenoemde eigenschappen te bereiken. Er zijn pogingen ondernomen om systemen te ontwerpen die dit overwinnen. Bijvoorbeeld, PFS blok copolymeren zijn gevormd met behulp van klik chemie te koppelen polymeer ketens samen²⁰. Hoewel de resulterende cilindrische nanodeeltjes hebben aangetoond voorbeeldige eigenschappen, het blok copolymeren worden meestal gezuiverd door voorbereidende grootte uitsluiting chromatografie en de synthese van PFS vereist nog steeds het gebruik van levende anionische polymerisaties. Onze groep heeft onlangs de levende CDSA van PCL, het succes van die draaide rond met behulp van zowel levende organobase-katalysering-opening polymerisatie (ROP) en omkeerbare toevoeging-fragmentatie Chain Transfer (vlot) polymerisatie¹⁰. Hoewel deze methode is eenvoudiger, levende polymerisatie zijn nog steeds nodig.

Als het veld is op weg naar meer applicatie-gedreven onderzoek, en als gevolg van de problemen in verband met levende polymerisatie, wordt aangenomen dat een overzicht van de polymeer synthese en zelf-assemblage protocollen zal voordelig zijn voor toekomstige wetenschappelijke werkzaamheden. Zo wordt in dit manuscript de volledige synthese en zelf-assemblage van een PCL-b-PMMA-b-PDMA copolymeer geschetst. Drogen technieken zullen worden gemarkeerd in de context van een organocatalyzed ROP van Epsilon-caprolacton en de daaropvolgende RAFT polymerisatie van MMA en DMA zal worden geschetst. Tot slot zal een levend CDSA protocol voor dit polymeer in ethylalcohol worden voorgesteld en de gemeenschappelijke fouten in karakterisering gegevens toe te schrijven aan slechte experimentele techniek zullen worden bekritiseerd.

Protocol

1. drogen van tolueen

Opmerking: als u toegang hebt tot droge oplosmiddel torens, het verzamelen van de tolueen en Degas door vijf Freeze-pomp-dooi cycli.

1. Droog 3 Å moleculaire zeven in een Schlenk kolf van 250 mL bij 250-300 °C onder vacuüm voor 48 h en overdracht in een Glovebox.
2. Droog twee ampullen in de oven op 150 °C 's nachts en breng ze in de glovebox.
3. Breng de geactiveerde moleculaire zeven in twee ampullen over en verwijder uit Glovebox.
4. Droog een kolf met twee hals (RBF) en voeg 100 mL tolueen toe, waarvan het volume gelijk is aan, ten hoogste, de helft van het ampul volume. Voeg 1,0 g van de Ceusters₂ aan de tolueen en roer.
   Let op: Wees voorzichtig met H₂ release op dit punt. Voeg bij een gestage stroom van stikstof altijd de toevoeging van een H₂ in de kolf.
5. Breng de tolueen in een van de ampullen met de moleculaire zeven met een Filterbril en rust 's nachts.
6. Breng de tolueen over in de laatste ampul die zeven bevat met een Filterbril. Vorst-pomp-dooi (5 cycli) tolueen en de overdracht in een Glovebox.

2. drogen van de CTA-initiator/DPP

1. Voeg de keten transfer agent/initiator om een flacon, beveiligen met tissue papier.
2. Voeg 10 g P₂O₅ toe in een verdrooger. Plaats de flacon boven het poeder.
3. Plaats de verdrooger onder dynamisch vacuüm voor 8 uur en statisch vacuüm 's nachts.
4. Open de verdrooger om de P₂O₅te ageren. Hervat de vacuüm cycli voor 5 dagen.
   Opmerking: de P₂O₅ kan verkleuren of worden klonteren als overtollig oplosmiddel/water aanwezig is. Vervang de P₂O₅ als dit wordt waargenomen.
5. Aanvulling de verdrooger met stikstof en overbrenging naar een Glovebox.

3. droging/zuivering van Epsilon-caprolacton

Opmerking: voor deze sectie, alle glaswerk en roerstaaf bars moeten zijn gedroogd in een oven 150 °C 's nachts voorafgaand aan het gebruik. Dit zal alle water uit de oppervlakken van het glas.

1. Voeg 100 mL Epsilon-caprolacton toe aan een twee-hals 250 mL RBF uitgerust met een roerstaaf en tik op de kleine nek.
2. Voeg 1,0 g van calcium hydride in de RBF, onder een gestage stroom van stikstof. Fit met een glazen stop en roer 's nachts bij kamertemperatuur onder een stikstof sfeer.
3. Droog de vacuümdestillatie apparatuur.
4. Bevestig de twee-hals kolf aan een Schlenk lijn en zuiveren door het evacueren en vullen met stikstof drie keer. Na het zuiveren, open de lijn aan een regelmatige stroom van stikstof.
5. Monteer de vacuümdestillatie apparatuur van de Epsilon-caprolacton RBF, het handhaven van een constante stroom van stikstof om water te voorkomen dat het invoeren van het systeem. Bevestig de thermometer en de afdichting op zijn plaats.
6. Bevestig de adapter aan de Schlenk lijn. Verwijder de stikstof stroom en plaats het systeem onder vacuüm onder deze nieuwe verbinding.
7. Verhit de Epsilon-caprolacton bij 60-80 °C, het verzamelen van de eerste 5,0 mL in de kleine RBFs en de rest in de twee-hals RBF. Plaats de kolven in vloeibare stikstof om de caprolacton effectief te condenseren. Wikkel de destillatie apparatuur in watten en folie om het proces te versnellen.
8. Bevestig de Schlenk lijn aan de inzamelings kolf en zuiver de lijn drie keer. Draai de lijn naar stikstof en open de kraan. Voeg 1,0 g calcium hydride aan de kolf, en een stop, laat dan onder een stikstof sfeer roeren 's nachts.
9. Ondertussen, gooi het overtollige calcium hydride door de dropwise toevoeging van isopropanol, gevolgd door 5,0 mL methanol en vervolgens een overmaat aan water eenmaal borrelen ophoudt. Spoel het glaswerk met aceton en plaats in de oven 's nachts.
10. Herhaal de vacuümdestillatie opnieuw, zonder toevoeging van de Ceusters aan het monomeer eenmaal afgewerkt. Plaats de caprolacton via de bril in een ampul en breng deze over naar de glovebox.

4. ring het openen polymerisatie van Epsilon-caprolacton

1. Bereid de voorraad oplossingen van initiator, katalysator en monomeer. Weeg 0,10 g van difenyl fosfaat, 0,011 g van CTA-OH en 0,25 g van caprolacton in drie afzonderlijke flacons. Voeg 0,5 mL van tolueen aan elk van de initiator en katalysator flacons en voorzichtig ageren totdat de reagentia worden opgelost.
2. Meng de initiator en difenyl fosfaat voorraad oplossingen in een flacon en voeg een roer bar.
3. Bij matig roeren, voeg het monomeer in de initiator/katalysator flacon. Fit de flacon met een deksel en roer voor 8 h bij kamertemperatuur.
4. Na 8 uur, verwijder de flacon uit de glovebox en onmiddellijk neerslag in een overmaat van koude diethyl ether dropwise.
5. Filter de witte vaste stof, droog en los in 1 mL tetrahydrofuraan (THF). Neerslag tweemaal meer en droog grondig.

5. RAFT polymerisatie van methyl methylmethacrylaat en n, n-dimethylacrylamide

1. Voor het verwijderen van de stabilisatoren van de dioxaan en MMA, bereiden verschillende fundamentele Alumina stekkers in Pasteur pipetten en filtreer de vloeistoffen in aparte flacons.
2. Weeg 0,5 g PCL eerder gesynthetiseerd, 0,424 g methyl methylmethacrylaat en maatregel 2 mL dioxaan in een flacon en laat op te lossen.
3. Bereid een stockoplossing voor van pure azobisisobutyronitrile (AIBN mg in 1,0 mL) en Pipetteer in 139 l in het reactiemengsel. Transfer naar een ampul voorzien van een roerstaaf en afdichting.
4. Freeze-Pump-Ontdooi de oplossing drie keer. Aanvulling met stikstof en plaats de ampul in een voorverwarmde olie-bad bij 65 °C voor 4 uur.
   Opmerking: Verwarm de container niet met iets meer dan 30 °C voordat de Vries-pomp-dooi cycli zijn voltooid, omdat dit kan leiden tot ontbinden van de initiator.
5. Om de conversie te monitoren, verwijder de ampul uit het olie bad. Schakel de dop voor een verzegeling van de deuterated met een doorstroming van stikstof, Verwijder twee druppels en meng met chloroform. Voer een proton spectrum uit op een NMR-instrument.
6. Plaats de ampul in vloeibare stikstof tot ze bevroren is en open de ampul in de lucht om de polymerisatie te doven.
7. Stort het mengsel dropwise in een enorme overmaat van koude diethyl ether. Isoleren door Buchner filtratie en droog.
8. Neem het polymeer omhoog in THF en neerslag tweemaal meer. Droog het polymeer grondig en analyseer door ¹H NMR spectroscopie en gel doordringen chromatografie (GPC).
9. Volg deze procedure opnieuw, maar met 0,5 g PCL-PMMA, 1,406 g van DMA, 2,0 mL dioxaan en 111 l van 10 mg.mL^-1 AIBN in dioxaan. Verhit de polymerisatie bij 70 °C voor 1 uur en stort het reactiemengsel in koude diethyl ether drie maal.

6. zelf-nucleatie, zaad generatie en het leven kristallisatie-gedreven zelf-assemblage

1. Plaats 5,0 mg triblock copolymeer in een flacon en voeg 1,0 mL ethanol toe. Sluit de flacon met een deksel en parafilm en verwarm bij 70 °C voor 3 uur.
2. Laat de flacon om langzaam af te koelen tot kamertemperatuur. Laat de oplossing voor de leeftijd bij kamertemperatuur gedurende twee weken. De oplossing zal bewolkt worden en zal een aparte laag vormen aan de onderkant wanneer volledig geassembleerd.
3. Verdun de 5,0 mg.mL^-1 dispersie tot 1,0 mg.ml^-1.
4. Plaats de dispersie in een sonication proof Tube en plaats in een ijs bad.
5. Plaats het uiteinde van de sonische sonde in het middelste gedeelte van de dispersie.
6. Bewerk de oplossing voor vijftien cycli van 2 min op de laagste intensiteit, waardoor 15 minuten afkoelen voor de volgende cyclus.
7. Neem een hoeveelheid van de 1,0 mg.mL^-1 zaad dispersie en verdun tot 0,18 mg.ml^-1.
8. Bereid een oplossing van unimer in THF op 25 mg.mL^-1. Voeg 32,8 l in de zaad dispersie en schud voorzichtig om volledige ontbinding mogelijk te maken.
9. Laat de spreiding naar leeftijd voor drie dagen met het deksel iets op een kier, zodat de THF kan verdampen. Dit zal produceren cilinders van 500 nm in lengte als de startende zaden waren 90 nm in lengte.

Resultaten

PCL werd geanalyseerd door ¹H NMR spectroscopie en gel doordringen chromatografie (GPC). De ¹H NMR spectrum leverde een graad van polymerisatie (DP) van 50, door vergelijking van resonanties op 3,36 ppm en 4,08 ppm, die overeenkomen met de eindgroep ethyl protonen en de in-Chain Ester α-protonen respectievelijk (Figuur 1b). Dit voorzag in de validering van de molecuul gewichtswaarden verkregen door GPC, waar een enkele piek, met een disp...

Discussie

De synthese en Living CDSA van de triblock copolymeer PCL₅₀-PMMA₁₀-PDMA₂₀₀ is geschetst. Hoewel strenge voorwaarden nodig zijn, de ring-opening polymerisatie van Epsilon-caprolacton gaf polymeren met uitstekende eigenschappen die de succesvolle keten extensies van MMA en DMA ingeschakeld. Deze polymeren waren succesvol in hun zelf-zaaien, het verkrijgen van een zuivere fase van cilindrische micellen, die werden sonicated in zaad deeltjes van L_N 98 nm. Door eenvoudige t...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
2,2'-azobisisobutyrnitrile	Sigma Aldrich
250 mL ampul
250 mL tweekuips RBF
Ampul (25 mL)
B19 kraan
B24 stop
Basic Alumina	Fluka
Buchner Flessen
Buchner Trechter
Caclium Hydride
Cannulae
caprolacton	Arcos Organics
Chain Transfer Agent	Made in House
Conische Flessen (meerdere maten)
Dessiccator
Diethyl Ether	Merck
Dioxaan	Fisher
difenylfosfaat	Sigma Aldrich
Destillatie-condensor
Ethanol	Fisher
Filterpapier (meerdere maten)
Gel Permeatie Chromatografie Instrument	Agilent Technologies Infinity 1260 II		Lopend DMF bij 50 °C
Handschoenenkast	Mbraun, Unilab
Hotplate	IKA, RCT basic
Kwikthermometer
Methyl Methacrylaat	Sigma Aldrich
Molecuul zeef	Fisher	MS/1030/53
N,N-dimethyl acrylamide	Sigma Aldrich
NMR-spectrometer	Bruker 400 MHz
Fosforpentoxide	Sigma Aldrich
RBF (meerdere maten)
Schlenk-dop (B24)
Schlenk-fles (250 mL)
Schlenk-lijn
Sonicatie-sonde	Bandelin Sonoplus
Suba Seal (meerdere maten)
TEM-roosters	EmResolutions, Formvar/koolstoffilm 300 mesh koper
THF	Merck
drie-hals adapter
Tolueen	Fisher
Transmissie-elektronenmicroscoop	Jeol 2100