Przedstawiono protokół syntezy i przygotowania nanocząstek składających się z elektroaktywnych polimerów.
Artykuł metodologiczny
Przedstawiono protokół syntezy i przygotowania nanocząstek składających się z elektroaktywnych polimerów.
Pokazano metodę syntezy polimerów elektroaktywnych, zaczynając od syntezy monomerów przedłużonej koniugacji przy użyciu trzyetapowego procesu, który kończy się sprzężeniem Negishiego. Sprzężenie Negishi to proces sprzęgania krzyżowego, w którym najpierw litiuje się prekursor chemiczny, a następnie następuje transmetallacja za pomocą ZnCl2. Powstały w ten sposób związek cynoorganiczny można sprzęgnąć z dibromowanym prekursorem aromatycznym, aby uzyskać sprzężony monomer. Folie polimerowe można otrzymać poprzez elektropolimeryzację monomeru i scharakteryzować za pomocą cyklicznej woltamperometrii i spektroskopii ultrafioletowo-widzialnej bliskiej podczerwieni (UV-Vis-NIR). Nanocząstki (NP) są otrzymywane w procesie polimeryzacji emulsyjnej monomeru przy użyciu układu dwóch środków powierzchniowo czynnych w celu uzyskania wodnej dyspersji nanocząsteczek polimeru. Nanocząsteczki są charakteryzowane za pomocą dynamicznego rozpraszania światła, mikroskopii elektronowej i spektroskopii UV-Vis-NIR. Cytokompatybilność nanocząsteczek bada się za pomocą testu żywotności komórek. Na koniec zawiesiny NP są naświetlane laserem NIR w celu określenia ich skuteczności jako potencjalnych materiałów do terapii fototermicznej (PTT).
Polimery elektroaktywne zmieniają swoje właściwości (kolor, przewodność, reaktywność, objętość, itp.) pod wpływem pola elektrycznego. Krótkie czasy przełączania, możliwość przestrajania, trwałość i lekkość polimerów elektroaktywnych doprowadziły do wielu proponowanych zastosowań, w tym alternatywnych źródeł energii, czujników, elektrochromu i urządzeń biomedycznych. Polimery elektroaktywne są potencjalnie przydatne jako elastyczne, lekkie elektrody akumulatorowe i kondensatorowe. 1 Zastosowania polimerów elektroaktywnych w urządzeniach elektrochromowych obejmują systemy redukcji olśnienia w budynkach i samochodach, okulary przeciwsłoneczne, okulary ochronne, optyczne urządzenia pamięci masowej i inteligentne tekstylia. 2-5 Inteligentne okna mogą zmniejszyć zapotrzebowanie na energię, blokując określone długości fal światła na żądanie i chroniąc wnętrza domów i samochodów. Inteligentne tekstylia mogą być używane w odzieży, aby pomóc w ochronie przed promieniowaniem UV. 6 Polimery elektroaktywne zaczęto również stosować w wyrobach medycznych. Wśród polimerów elektroaktywnych stosowanych w wyrobach biomedycznych do najczęstszych należą polipirol (PPy), polianilina (PANI) i poli(3,4-etylenodioksytiofen) (PEDOT). Na przykład tego typu polimery są powszechnie stosowane jako przetworniki w urządzeniach biosensorowych. 7 Obiecujące są również zastosowania w leczeniu terapeutycznym; Badania wykazały uwalnianie leków i białek terapeutycznych z urządzeń przygotowanych z polimerów elektroaktywnych. 8-12 Ostatnio polimery elektroaktywne są stosowane jako środki terapeutyczne w terapii fototermicznej. 13-15 W terapii fototermicznej środki fototermiczne muszą absorbować światło w obszarze bliskiej podczerwieni (NIR) (~ 700−900 nm), znanym również jako okno terapeutyczne, w którym światło ma maksymalną głębokość penetracji w tkance, zwykle do 1 cm.16,17 W tym zakresie chromofory biologiczne, takie jak hemoglobina, hemoglobina natleniona, lipidy i woda, mają niewielką lub żadną absorbancję, co umożliwia łatwe przenikanie światła. Kiedy czynniki fototermiczne absorbują światło w tym oknie terapeutycznym, energia fototermiczna jest przekształcana w energię fototermiczną.
Irvin i współpracownicy wcześniej informowali o alkoksylowych podstawionych monomerach benzenu bis-EDOT, które zostały zsyntetyzowane przy użyciu sprzężenia Negishi. 18 Sprzężenie Negishi jest preferowaną metodą tworzenia wiązań węgiel-węgiel. Proces ten ma wiele zalet, w tym stosowanie półproduktów cynkoorganicznych, które są mniej toksyczne i mają zwykle wyższą reaktywność niż inne stosowane związki metaloorganiczne. 19,20 Związki cynkoorganiczne są również kompatybilne z szeroką gamą grup funkcyjnych na organohalidach. 20 W reakcji sprzęgania Negishiego halogenek organiczny i metaloorganiczny są sprzęgane za pomocą katalizatora palladowego(0). 20 W przedstawionej pracy ta metoda sprzęgania krzyżowego jest wykorzystywana w syntezie monomerów 1,4-dialkoksy-2,5-bis(3,4-etylenodioksytienylo)benzenu (BEDOT-B(OR)2). Monomery te można następnie łatwo polimeryzować elektrochemicznie lub chemicznie, aby uzyskać polimery, które są obiecującymi kandydatami do zastosowania w zastosowaniach biomedycznych.
Konwencjonalne metody przygotowania koloidalnych zawiesin polimerowych w roztworach wodnych do zastosowań biomedycznych zazwyczaj polegają na rozpuszczaniu dużych ilości polimerów, a następnie technikach nanoprecypitacji lub odparowywania emulsji i rozpuszczalnika. 21,22 W celu wytworzenia nanocząsteczek poli(BEDOT-B(OR)2) zademonstrowano podejście oddolne, w którym nanocząsteczki są syntetyzowane w procesie polimeryzacji emulsyjnej in situ. Polimeryzacja emulsyjna to proces, który jest łatwo skalowalny i jest stosunkowo szybką metodą przygotowania NP. 22 Badania z zastosowaniem polimeryzacji emulsyjnej do wytwarzania nanocząsteczek innych polimerów elektroaktywnych zostały opisane dla PPy i PEDOT. Na przykład 15,23,24 PEDOT NPs przygotowano przy użyciu natryskiwanej polimeryzacji emulsyjnej. 24 Metoda ta jest trudna do odtworzenia i zazwyczaj daje większe cząstki o rozmiarach mikronów. Protokół opisany w tym artykule bada zastosowanie metody sonikacji kropelkowej do powtarzalnego przygotowania nanocząsteczek polimerowych o długości fali 100 nm.
W tym protokole, elektroaktywne polimery dostosowane do pochłaniania światła w obszarze NIR, podobnie jak wcześniej opisywane poli(BEDOT-B(OR)2) są syntetyzowane i charakteryzowane, aby wykazać ich potencjał w urządzeniach elektrochromowych i jako środki PTT. Po pierwsze, opisano protokół syntezy monomerów poprzez sprzężenie Negishi. Monomery scharakteryzowano za pomocą spektroskopii NMR i UV-Vis-NIR. Opisano również otrzymywanie zawiesin koloidowych NP poprzez oksydacyjną polimeryzację emulsyjną w środowisku wodnym. Procedura opiera się na dwuetapowym procesie polimeryzacji emulsyjnej opisanym wcześniej przez Hana i wsp. , który stosuje się do różnych monomerów. Do kontroli monodyspersyjności NP stosuje się system dwóch środków powierzchniowo czynnych. Test żywotności komórek służy do oceny cytokompatybilności nanocząsteczek. Wreszcie, potencjał tych nanocząsteczek do działania jako przetworniki PTT jest wykazywany przez napromieniowanie laserem NIR.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Uwaga: Przed użyciem zapoznaj się ze wszystkimi odpowiednimi kartami charakterystyki (SDS). Kilka odczynników używanych w tych syntezach jest potencjalnie niebezpiecznych. Prosimy o stosowanie wszystkich odpowiednich praktyk bezpieczeństwa, w tym środków ochrony osobistej (okulary ochronne, rękawice, fartuch laboratoryjny, długie spodnie i buty z zakrytymi palcami) oraz wykonywanie syntez w wyciągach. Lithiacja jest szczególnie niebezpieczna i powinna być wykonywana wyłącznie przez odpowiednio przeszkolone osoby pod nadzorem.
1. Synteza monomerów
Uwaga: Rysunek 1 pokazuje chemiczną drogę do przygotowania prekursorów i monomerów, których synteza jest opisana w sekcjach 1.2 - 1.5.
2. Elektrochemia
3. Przygotowanie NP
Rysunek 2 pokazuje schemat procesu używanego do przygotowania NP poprzez polimeryzację emulsyjną.
4. Folie polimerowe i charakterystyka NP
Uwaga: Scharakteryzuj folie polimerowe i NP za pomocą spektroskopii UV-Vis-NIR, a NP-NP za pomocą dynamicznego rozpraszania światła, analizy potencjału zeta i mikroskopii elektronowej.
5. Zbadaj cytokompatybilność NPs
Uwaga: Wszystkie manipulacje komórkami powinny być przeprowadzane w komorze bezpieczeństwa biologicznego (kaptur z przepływem laminarnym), aby zapobiec skażeniu komórek bakteriami, drożdżami lub grzybami z otoczenia i chronić użytkownika przed potencjalnie zakaźnymi chorobami. Wszystkie roztwory i materiały używane z komórkami powinny być sterylne. Stosuj odpowiednie techniki aseptycznych hodowli komórkowych.
6. Badania transdukcji fototermicznej
Uwaga: W tej pracy wykorzystano system laserowy opisany wcześniej przez Pattaniego i Tunell'a. 33 Rozdział 33
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół reakcji, w wyniku którego powstają M1 i M2, pokazano na rysunku 1. Monomery można scharakteryzować za pomocą spektroskopii 1H i 13C NMR, temperatury topnienia i analizy pierwiastkowej. Widmo 1H NMR dostarcza informacji dotyczących łączności atomów i ich środowisk elektronicznych; W związku z tym jest rutynowo używany do sprawdzania, czy reakcje zostały zakończone pomyślnie. Reakcje sprzęgania Negishiego polegają na sprzęgnięciu pi...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
W ramach tej pracy zsyntetyzowano elektroaktywne polimerowe NP-y jako potencjalne środki PTT w leczeniu raka. Opisano otrzymywanie nanocząsteczek, rozpoczynając od syntezy monomerów, po której następuje polimeryzacja emulsyjna. Podczas gdy otrzymywanie nanocząsteczek przy użyciu polimerów elektroaktywnych, takich jak EDOT i pirol, zostało opisane wcześniej, w niniejszym artykule opisano otrzymywanie polimerowych nanocząsteczek rozpoczynając od unikalnych monomerów o przedłużonej koniugacji, wykazując, że proces ten można...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Ta praca została częściowo sfinansowana przez Texas Emerging Technology Fund (Startup to TB), Texas State University Research Enhancement Program, Texas State University Doctoral Research Fellowship (do TC), NSF Partnership for Research and Education in Materials (PREM, DMR-1205670), The Welch Foundation (AI-0045) oraz National Institutes of Health (R01CA032132).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Platynowa elektroda robocza o średnicy 2 mm | CH Instrumenty | CH102 | Wypolerowane bardzo drobnym papierem ściernym |
| 3,4-etylenodioksytiofen | Sigma-Aldrich | 483028 | Oczyszczone przez destylację próżniową |
| Bromek 3-(4,5-dimetylotiazol-2-ylo)-2,5-difenylotetrazolu (MTT) 98% | Alfa Aesar | L11939 | |
| 505 Dysmembrator soniczny | Fisher Nauka i handel; | FB505110 | końcówka 1/8" i o wartości 500 waty |
| 808 nm | dioda laserowa ThorLabs | L808P1WJ | Znamionowa 1 W |
| Acetonitryl bezwodny 99% | Acros | 61022-0010 | |
| Avanti J-26 XPI | Beckman Coulter | 393127 | |
| Bromoheksan, 98% | MP Biomedycyna | 202323 | |
| Dializa (100 000) | MWCO SpectrumLabs | G235071 | |
| Dimetylosulfotlenek 99% (DMSO) | BDH | BDH1115 | |
| Dimetyloformamid bezwodny (DMF) 99% | Acros | 326870010 | |
| Dodecyl benzenosulfonian (DBSA) | TCI | D0989 | |
| Dulbecco" s zmodyfikowany nośnik orła (DMEM) | Corning | 10-013 CV | |
| EMS 150 TES Powlekarka do napylania | Mikroskopia elektronowa Nauki | ||
| Etanol (EtOH) 100% | BDH | BDH1156 | |
| 4-bromomaślan etylu (98%) | Acros | 173551000 | |
| Octan etylu 99% | Fisher | UN1173 | |
| Płodowa surowica bydlęca (FBS) | Corning | 35-010-CV | |
| Helios NanoLab 400 | FEI | ||
| Heksan | Fisher | H306-4 | |
| Kwas solny (HCl) | Fisher | A142-212 | |
| Hydrochinon 99,5% | Acros | 120915000 | |
| Hydrozine bezwodny 98% | Sigma-Aldrich | 215155 | |
| Tlenek indu i cyny (ITO) powlekany galss | Delta Technologies | CG-41IN-CUV | 4-8 Ω/sq |
| Chlorek żelaza 97% FeCl3 | Sigma-Aldrich | 157740 | |
| Siarczan magnezu (MgSO4) | Fisher | 593295 | suszony w 100 ° C |
| SKOV-3 | ATCC | HTB-26 | |
| Metanol | BDH | BHD1135 | |
| n-butlit (2,5 M) | Sigma-Aldrich | 230707 | Piroforyczny |
| poli(kwas styrenosulfoniano-ko-jabłkowy) (PSS-co-MA) 20 000 MW | Sigma-Aldrich | 434566 | |
| Węglan potasu | Sigma-Aldrich | 209619 | suszony w temperaturze 100 ° C |
| Wodorotlenek potasu | Alfa Aesar | A18854 | |
| Jodek potasu | Fisher | P410-100 | |
| RO-5 mieszadło | IKA-Werke | ||
| SC4000 Kamera na podczerwień | FLIR | ||
| Synergy H4 Czytnik hybrydowy | Biotek | ||
| Nadchloran tetrabutyloamonu (TBAP) 99% | Sigma-Aldrich | 3579274 | Oczyszczony przez rekrystalizację w octanie etylu |
| Tetrahydrofuran bezwodny (THF) 99% | Sigma-Aldrich | 401757 | |
| tetrakis(trifenylofosfina) pallad(0) | Sigma-Aldrich | 216666 | Termomikser wrażliwy na wilgoć |
| Eppendorf | |||
| USB potencjostat/galwanostat | WaveNow | AFTP1 | |
| Zetasizer Nano Zs | Malvern | 175° | |
| Chlorek (1 M) ZnCl2 | Acros | 370057000 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie