Przygotowanie membran reagujących na światło w połączonym procesie szczepienia powierzchniowego i postmodyfikacji

Podsumowanie

Procedura polimeryzacji indukowanej plazmą jest opisana dla inicjowanej powierzchniowo polimeryzacji na membranach polimerowych. Dalsza postmodyfikacja szczepionego polimeru substancjami fotochromowymi została przedstawiona wraz z protokołem przeprowadzenia pomiarów przepuszczalności membran reagujących na światło.

Streszczenie

W celu modyfikacji napięcia powierzchniowego dostępnych na rynku membran polimerowych o krawędziach torowych, przedstawiono procedurę polimeryzacji inicjowanej powierzchniowo. Polimeryzacja z powierzchni membrany jest indukowana przez obróbkę plazmową membrany, a następnie reakcję powierzchni membrany z metanolowym roztworem metakrylanu 2-hydroksyetylu (HEMA). Szczególną uwagę zwrócono na parametry procesu obróbki plazmowej przed polimeryzacją na powierzchni. Na przykład badany jest wpływ obróbki plazmowej na różne rodzaje membran (np. poliester, poliwęglan, polifluorek winylidenu). Ponadto zależna od czasu stabilność membran szczepionych powierzchniowo jest wykazywana za pomocą pomiarów kąta zwilżania. Podczas szczepienia poli(2-hydroksyetylometakrylanu) (PHEMA) w ten sposób, powierzchnia może być dalej modyfikowana przez estryfikację ugrupowania alkoholowego polimeru z funkcją kwasu karboksylowego pożądanej substancji. Reakcje te można zatem wykorzystać do funkcjonalizacji powierzchni membrany. Na przykład, napięcie powierzchniowe membrany może zostać zmienione lub można wprowadzić pożądaną funkcjonalność, ponieważ prezentowana wrażliwość na światło może zostać wprowadzona. Wykazano to, reagując PHEMA z jednostką spirobenzopiranu funkcjonalizowaną kwasem karboksylowym, która prowadzi do powstania błony reagującej na światło. Wybór rozpuszczalnika odgrywa główną rolę na etapie postmodyfikacji i został omówiony bardziej szczegółowo w tym artykule. Pomiary przepuszczalności tak funkcjonalizowanych membran wykonuje się przy użyciu ogniwa Franza z zewnętrznym źródłem światła. Poprzez zmianę długości fali światła z widzialnej na zakres UV obserwuje się zmianę przepuszczalności wodnych roztworów kofeiny.

Wprowadzenie

Modyfikacja materiałów za pomocą plazmy stała się istotnym procesem w wielu dziedzinach przemysłu. Czyszczenie oraz funkcjonalizacja powierzchni bez zmiany właściwości objętościowych materiału sprawiły, że obróbka plazmowa stała się kluczowym procesem w nauce o powierzchniach^1-8.

Opracowanie polimerów za pomocą plazmy prowadzi do homolitycznego rozrywania wiązań. Powoduje to trawienie materiału polimerowego i tworzenie powierzchni bogatych w rodniki. Dzięki zastosowaniu plazmy zawierającej cząsteczki tlenu powierzchnia staje się nasycona tlenem, a tym samym bardziej hydrofilowa^9-11. Jednakże hydrofilowość powierzchni nie jest stabilna w czasie¹². W celu zwiększenia stabilności długoterminowej powierzchnia poddana działaniu plazmy może zostać zmodyfikowana chemicznie po procesie plazmowania lub w jego trakcie^13-15. Zabieg ten wykonuje się zazwyczaj poprzez wprowadzenie reaktywnego monomeru do fazy gazowej podczas procesu plazmowego; monomery te polimeryzują następnie z rodników powstałych na powierzchni polimeru. Jeśli modyfikacja chemiczna jest przeprowadzana z użyciem monomeru nieletkiego, szczepienie polimeru musi nastąpić po modyfikacji plazmowej. Aby przeprowadzić kontrolowane szczepienie po utworzeniu się rodników na powierzchni, opisano układ plazmowy, który umożliwia zainicjowaną plazmą polimeryzację indukowaną powierzchniowo z powierzchni w roztworze w kontrolowanych warunkach^12,16.

Prezentacja koncentruje się na modyfikacji membran polimerowych z trawionymi krawędziami otworów^12,17. Poprzez modyfikację napięcia powierzchniowego tych membran można zmieniać stopień ich przepuszczalności¹². Ten czysty i szybki proces pozwala na tworzenie bardzo cienkich warstw (<5 nm), które pokrywają całą powierzchnię membrany bez zmiany właściwości objętościowych membrany polimerowej. W wyniku trawienia krawędzi podczas procesu plazmowego średnice porów membran z trawionymi krawędziami ulegają nieznacznemu zwiększeniu¹². Szybkość trawienia zależy od rodzaju polimeru i wykazuje charakter liniowy.

Przy użyciu monomerów z reaktywnymi grupami funkcyjnymi, szczepione polimery mogą zostać poddane dalszej funkcjonalizacji. Zostało to zademonstrowane poprzez pomodyfikowanie membrany szczepionej PHEMA spiropiranem funkcjonalizowanym kwasem karboksylowym. Prowadzi to do powstania powierzchni fotochromowej, ponieważ wiadomo, że spiropiran przekształca się w formę merocyjaniny pod wpływem promieniowania UV. Formę spiropiranu można przywrócić, naświetlając formę merocyjaniny światłem widzialnym (Rysunek 1)^18,19. Ponieważ forma merocyjaniny jest bardziej polarna niż stan spiropiranu, napięcie powierzchniowe powłoki może być sterowane za pomocą światła²⁰. Zmiana napięcia powierzchniowego wpływa na opór przepuszczalności membrany dla roztworów wodnych. Przedstawiona zostanie konfiguracja aparatury do przeprowadzania testów przepuszczalności tych membran reagujących na światło oraz zademonstrowana zostanie znacząca zmiana oporu przepuszczalności (spadek oporu przepuszczalności o 97%). Taka membrana może zostać zintegrowana z układem dostarczania leków lub z inteligentnymi systemami sensorycznymi.

Rysunek 1. Fotoizomeryzacja związku 1 spirobenzopiranu.

Protokół

1. Polimeryzacja inicjowana plazmą

1. Przygotowanie roztworu monomeru.
   1. Rozpuścić HEMA (100 ml; 0,718 mola) w 200 ml wody i przemyć 3x heksanem (100 ml) w rozdzielaczu. Nasycić fazę wodną chlorkiem sodu i wyekstrahować HEMA eterem dietylowym (50 ml). Wysuszyć fazę organiczną nad_MgSO4 i usunąć rozpuszczalnik w próżni (100 mbar, 40 °C). Destylować HEMA pod zmniejszonym ciśnieniem (15 mbar; 99 °C).
   2. Przygotować 0,62 M roztwór metanolowy HEMA wolnego od inhibitorów, wyprodukowanego w sekcji 1.1.1. Wlać 30 ml roztworu do kolby jednoszyjkowej i usunąć tlen przez bulgotanie Ar przez roztwór przez 1 godzinę.
2. Polimeryzacja indukowana powierzchniowo.
   1. Umieść dwie membrany poliwęglanowe obok siebie w komorze plazmowej (rysunek 2). Umieść błyszczącą stronę membrany skierowaną w stronę fazy gazowej.
   2. Podłącz komorę plazmową do wysokiej próżni (20 mbar) na 5 minut. Zamknij zawór do próżni i otwórz drugi zawór, który jest podłączony do argonu i tlenu gazowego, a następnie przeczyść komorę tą mieszaniną przez 2 godziny 15 sccm argonu i 2,5 sccm tlenu
   .
   3. Zainicjuj plazmę i zmniejsz moc do żądanej mocy (dla membrany poliwęglanowej: 12 W) i traktuj membrany plazmą przez 4 minuty. Połącz roztwór monomeru z komorą, otwierając odpowiedni zawór. Wyłącz plazmę i opróżnij komorę.
   4. Połącz roztwór monomeru z komorą, otwierając odpowiedni zawór i wlej roztwór do komory. Upewnij się, że membrany są pokryte roztworem monomeru. Otworzyć zawór podłączony do argonu i przechowywać mieszaninę reakcyjną przez 12 godzin w temperaturze 20 °C (klimatyzowane pomieszczenie).
   5. Usuń roztwór monomeru. Umyć membrany metanolem w kąpieli ultradźwiękowej przez 5 minut. Powtórz procedurę mycia wodą.
   6. Suszyć membranę w próżni na sitach molekularnych przez 2 godziny.

2. Postmodyfikacja membran powlekanych

1. Przygotować roztwór spirobenzopiranu 1 (ryc. 1) (100 mg; 0,27 mmol), N,N-dicykloheksylokarbodimidu (DCC) (55 mg; 0,27 mmol) i dimetyloaminopirydyny (DMAP) (33 mg, 0,27 mmol) w eterze tert-butylometylometylowym (TBME) (12 ml).
2. Umieścić mieszadło ochronne i kratkę ochronną w kolbie okrągłodennej. Wysuszyć kolbę i zalać ją argonem.
3. Wlać roztwór do kolby, a następnie do powlekanej membrany.
4. Delikatnie mieszaj w temperaturze pokojowej przez 12 godzin.
5. Usunąć roztwór i przemyć membranę eterem tert-butylometylu w kąpieli ultradźwiękowej przez 5 minut. Powtórzyć procedurę mycia etanolem i wodą.
6. Suszyć membranę w próżni na sitach molekularnych przez 2 godziny.

3. Pomiary napięcia powierzchniowego

1. Przymocuj membranę standardową taśmą na metalowym O-ringu. Umieść kroplę nanoczystej wody (3,3 μl) na tej części powierzchni membrany, która nie styka się z pierścieniem uszczelniającym o przekroju okrągłym. Zmierz kąt zwilżania (CA) w 5 różnych miejscach membrany.
2. W celu zbadania długoterminowej stabilności próbek należy zmierzyć kąty zwilżania w trzech różnych miejscach membran po 0, 1, 2, 3, 7, 14 i 21 dniach.

4. Testy przepuszczalności membran fotochromowych

1. Napełnij komorę receptorową komory dyfuzyjnej Franza wodą (12 ml).
2. Zamocuj membranę w komórce dyfuzyjnej Franza. Upewnij się, że membrana styka się z wodą w komorze receptorowej. Napełnij komorę dawczą (komorę na górze membrany) wodnym roztworem kofeiny (20 mM; 3,0 ml). Napromienić błonę od góry komory dawczej światłem białym (ryc. 3). Pobrać próbki (200 μl) z komórki receptorowej; W przypadku membran poliwęglanowych o krawędziach torowych o średnicy porów 200 nm próbki należy pobierać co 10 minut.
3. Powtórzyć doświadczenie zgodnie z opisem w kroku 4.2, ale naświetlić membranę światłem UV (366 nm, 80 W/m²) podczas całego badania przepuszczalności.
4. Oznaczanie stężeń kofeiny w pobranych próbkach.
   1. Narysuj krzywą kalibracyjną z 15 różnymi stężeniami kofeiny (od 0,05 mg/ml do 1,5 mM/l) za pomocą spektrometru UV/Vis. Kalibracja przy długości fali 293 nm.
   2. Oznaczyć stężenie każdej z pobranych próbek za pomocą krzywej kalibracyjnej.
   3. Wykreślić oznaczone stężenie w funkcji czasu pobierania próbek. Wykonaj dopasowanie liniowe przez punkty i określ Δc od nachylenia.

Wyniki

Szybkość trawienia można monitorować, ważąc membranę po różnych odstępach czasu. Jak widać na Rysunku 4, w przypadku membran z poliestru, fluorku poliwinylydenu i poliwęglanu szybkość trawienia jest liniowa, co można wyznaczyć z nachylenia liniowej korelacji czasu trawienia w stosunku do ubytku masy. Jak pokazano na Rysunku 4, membrany poliwęglanowe wykazują najniższą szybkość trawienia spośród wszystkich trzech membran polimerowych. Jednym z następstw trawienia jest zmiana śred...

Dyskusja

W procesie plazmowym powstaje fioletowy gaz, który jest spowodowany przez zjonizowany argon. Pomarańczowy kolor wskazywałby na obecność niepożądanego azotu z wycieku. Proces plazmowy nie tylko tworzy rodniki na powierzchni, ale także wytrawia błonę^7,12. Zbyt duże wytrawianie może znacznie zmienić średnicę porów, co wpłynie na przepuszczalność membrany. Kontrolowane warunki reakcji prezentowanego układu pozwalają na zwiększenie powtarzalności procesu szczepienia inicjowanego osoczem. Niemniej jednak dokładne po...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Metakrylan 2-hydroksyetylu, 97%	Sigma-Aldrich	128635
Heksan 99%	Biosolve
Siarczan magnezu (MgSO4, bezwodny)	Metanol Sigma-Aldrich	M7506
, 99%	Sigma-Aldrich	14262	suszony na sitach molekularnych
N,N-dicylcohexylcarbodiimide, 99%	Sigma-Aldrich	D8002
Aminopirydyna dimetylowa, 99%	Sigma-Aldrich	107700
Eter tert-butylometylo-98%	Fluka	306975
Membrana poliwęglanowa	Whatman		Wytrawiona ścieżka nanoporowa (TE) (1.0 μ m, 0,2 i mu; m, 0,1 i mu; średnica porów m, 50 nm, 30 nm i 15 nm; Średnica membrany 47 mm lub 25 mm)
Kofeina (odczynnik plus)	Sigma-Aldrich	C0750
Komórka dyfuzyjna Franza (12 ml)	SES-Analysesysteme	6C010015	15 mm niezaklęta komórka Franza, 12 ml Objętość receptora, Płaskie podłoże, przezroczyste szkło, mieszadło i zacisk
Lampa			Naświetlanie promieniowaniem UV (366 nm, 15 W/m2)
Lampa			światła białegoNaświetlanie światłem białym (żarówka 500 W)
Spektrofotometr UV/Vis	Varian 50Bio/50MPR
Membrany poliestrowe	Sterlitech	PET0225100	Filtry z membraną poliestrową, 0,2 i mu; m średnica porów, średnica 25 mm
Membrany z polifluorku winylidenu	Millipore		PVDF Membrany Durapore (0,22 μ m średnica porów; Średnica membrany 47 mm)
Argon (99,9995%)	Alphagaz
Dressler Cesar RF Power Generator			Konfiguracja komory plazmowej
Sterownik wielogazowy MKS 647C			Konfiguracja komory plazmowej
Kontrolery			Konfiguracja komory plazmowej
Obrotowa łopatkowa pompa			Komora plazmowa ustawić
urządzenie do pomiaru kąta zwilżania	Krü Wagi ss	G10
	Mettler Toledo	AB204-S i Mettler ME30