Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Łatwa synteza robakopodobnych miceli za pomocą polimeryzacji dyspersyjnej za pośrednictwem światła widzialnego przy użyciu katalizatora fotoredoks

9.3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/54269

⸱

8 czerwca 2016

 ,  , 
1Centre for Advanced Macromolecular Design (CAMD), The University of New South Wales, 2Australian Centre for NanoMedicine (ACN), The University of New South Wales, 3School of Chemical Engineering, The University of New South Wales

W tym artykule

Podsumowanie

Ten artykuł opisuje proces wytwarzania polimerowych, samoorganizujących się nanocząstek za pomocą polimeryzacji dyspersyjnej za pośrednictwem światła widzialnego. Wykorzystanie niskoenergetycznego światła widzialnego do kontrolowania polimeryzacji pozwala na powtarzalne tworzenie samoorganizujących się miceli przypominających robaki przy wysokiej zawartości części stałych.

Streszczenie

Prezentowany tutaj jest protokół łatwej syntezy robakopodobnych miceli poprzez polimeryzację dyspersyjną za pośrednictwem światła widzialnego. Podejście to rozpoczyna się od syntezy hydrofilowego homopolimeru poli(oligo(glikolu etylenowego) metakrylanu eteru metylowego) (POEGMA) przy użyciu odwracalnej polimeryzacji łańcuchowej z przeniesieniem addycyjno-fragmentacyjnym (RAFT). W łagodnym napromieniowaniu światłem widzialnym (λ = 460 nm, 0,7 mW/cm2), ten makrołańcuchowy czynnik przenoszący (makro-CTA) w obecności katalizatora fotoredoks na bazie rutenu, Ru(bpy)3Cl2 może być przedłużony łańcuchowo za pomocą drugiego monomeru, tworząc dobrze zdefiniowany kopolimer blokowy w procesie znanym jako fotoindukowany transfer elektronów RAFT (PET-RAFT). Gdy PET-RAFT jest używany do rozszerzania łańcucha POEGMA za pomocą metakrylanu benzylu (BzMA) w etanolu (EtOH), nanocząstki polimerowe o różnej morfologii są tworzone in situ zgodnie z mechanizmem samoorganizacji indukowanej polimeryzacją (PISA). Samoorganizacja w nanocząstki prezentująca łańcuchy POEGMA w koronie i łańcuchy poli(metakrylanu benzylu) (PBzMA) w rdzeniu zachodzi in situ ze względu na rosnącą nierozpuszczalność bloku PBzMA w etanolu. Co ciekawe, tworzenie wysoce czystych miceli przypominających robaki można łatwo monitorować, obserwując początek bardzo lepkiego żelu in situ z powodu splątania nanocząstek zachodzącego podczas polimeryzacji. Proces ten pozwala zatem na bardziej powtarzalną syntezę miceli podobnych do robaków po prostu poprzez monitorowanie lepkości roztworu w trakcie polimeryzacji. Ponadto bodziec świetlny może być stosowany sporadycznie w sposób ON/OFF, demonstrując czasową kontrolę nad morfologią nanocząstek.

Wprowadzenie

Synteza niesferycznych (i innych) morfologii nanocząstek tradycyjnie była przeprowadzana przy użyciu wieloetapowej procedury samoorganizacji, poczynając od syntezy i oczyszczenia dobrze zdefiniowanych amfifilowych kopolimerów diblokowych (lub wieloblokowych). Jedna z najpowszechniejszych technik samoorganizacji została spopularyzowana przez Eisenberga w latach 90. XX wieku i polega na rozpuszczeniu amfifilowego kopolimeru blokowego w powszechnym rozpuszczalniku dla obu bloków polimerowych, a następnie powolnym dodawaniu rozpuszczalnika selektywnego dla jednego z bloków1-3. Po dodaniu selektywnego rozpuszczalnika (zwykle wody) kopolimer blokowy ulega samoorganizacji, tworząc nanocząstki polimerowe. Ostateczna morfologia (lub mieszaniny morfologii) nanocząstek zależy od wielu czynników, takich jak względne długości każdego bloku polimeru, szybkość dodawania wody i charakter powszechnego rozpuszczalnika. Jednak takie podejście zasadniczo pozwala na wytwarzanie nanocząstek o stosunkowo niskiej zawartości ciał stałych (poniżej 1 % wag.), a tym samym ogranicza jego praktyczną skalowalność4. Ponadto powtarzalne tworzenie się faz "pośrednich", takich jak micele podobne do robaków, może być trudne ze względu na wąski zakres parametrów wymaganych do ustabilizowania tej niesferycznej morfologii5.

Podejście do samoorganizacji indukowanej polimeryzacją (PISA) częściowo rozwiązuje wady podejścia Eisenberga, wykorzystując sam proces polimeryzacji do napędzania samoorganizacji in situ, co pozwala na syntezę nanocząstek o znacznie wyższej zawartości ciał stałych (zazwyczaj 10-30% wag.)6-8. W typowym podejściu PISA proces polimeryzacji na żywo jest stosowany do wydłużenia łańcuchowego makroinicjatora rozpuszczalnego w rozpuszczalniku (lub makro-CTA) za pomocą monomeru, który jest początkowo rozpuszczalny w środowisku reakcyjnym, ale tworzy nierozpuszczalny polimer. Podejście opracowane w ramach projektu PISA zostało wykorzystane do syntezy miceli podobnych do robaków poprzez systematyczne testowanie szeregu parametrów eksperymentalnych i wykorzystanie szczegółowych diagramów fazowych jako syntetycznej "mapy drogowej"5,9.

Pomimo ich trudnej syntezy, istnieje duże zainteresowanie nanocząstkami podobnymi do robaków ze względu na ich interesujące właściwości w stosunku do ich sferycznych odpowiedników. Na przykład wykazaliśmy, że krótkie i długie micele podobne do robaków naładowane lekiem zsyntetyzowane przy użyciu metody PISA mają znacznie wyższą cytotoksyczność in vitro w porównaniu z micelami sferycznymi lub pęcherzykami10. Inne wykazały korelację między proporcjami nanocząstek a czasem krążenia krwi w modelach in vivo 11. Inni wykazali, że synteza robakopodobnych nanocząstek przy użyciu odpowiedniej metodologii PISA daje makroskopowy żel ze względu na splątanie włókien nanocząstek w nanoskali. Żele te wykazały potencjał jako żele sterylizowalne ze względu na ich termoodwracalne zachowanie zol-żel12.

Ten protokół opisuje metodę pozwalającą na monitorowanie in situ powstawania robakopodobnych miceli poprzez prostą obserwację lepkości roztworu podczas polimeryzacji. Wcześniejsze badania podobnych robakopodobnych żeli micelarnych wykazały, że powyżej temperatury krytycznej nanocząstki te przechodzą odwracalne przejście robak-sfera, a więc tworzą swobodnie płynące dyspersje w podwyższonych temperaturach. Do tej pory systemy te wykorzystywały wrażliwy termicznie związek azowy do zainicjowania kontrolowanej polimeryzacji13,14, a więc żelowanie może nie być łatwo zaobserwowane w tych układach podczas polimeryzacji termicznej. Na podstawie tych badań postawiono hipotezę, że synteza nanocząstek pochodzących z PISA w niższych temperaturach może pozwolić na obserwację tego zachowania żelowania in situ.

Ostatnio informowaliśmy o użyciu łatwej techniki fotopolimeryzacji w temperaturze pokojowej do pośredniczenia w procesie PISA w celu uzyskania nanocząstek o różnych morfologiach15. W tym miejscu przedstawiono wizualizację protokołu odtwarzalnej syntezy miceli podobnych do robaków poprzez obserwację zachowania lepkości roztworu podczas polimeryzacji. Polimeryzacja dyspersyjna przebiega bez zakłóceń przy użyciu dostępnych na rynku diod elektroluminescencyjnych (LED) (λ = 460 nm, 0,7 mW/cm2).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Synteza i charakterystyka POEGMA Macro-CTA

  1. metakrylan eteru metylowego oligo(glikolu etylenowego) (OEGMA) (12 g, 4 × 10-2 mol), kwas 4-cyjano-4-(fenylokarbotiotio)pentanowy (CPADB) (0,224 g, 8 × 10-4 mol), 2,2′-azobis(2-metylopropionitryl) (AIBN) (16,4 mg, 0,1 mmol) i 50 ml acetonitrylu (MeCN) do kolby okrągłodennej o pojemności 100 ml.
  2. Uszczelnić kolbę gumową przegrodą o odpowiedniej wielkości i drutem stalowym i schłodzić kolbę z temperatury pokojowej do < 4 °C w łaźni lodowato-wodnej.
  3. Odtleniać kolbę przez 30 minut, bulgocząc azotem bezpośrednio do mieszaniny reakcyjnej przez igłę 21 G (0,8 mm x 120 mm) z drugą igłą 21 G (0,8 mm x 38 mm) działającą jako odpowietrznik.
  4. Umieścić kolbę w łaźni olejowej w temperaturze 70 °C na 5,5 godziny przed schładzeniem polimeryzacji przez zanurzenie w łaźni lodowo-wodnej i wystawienie zawartości na działanie powietrza.
  5. Usunąć MeCN przez mieszanie pod ciągłym strumieniem sprężonego powietrza i ponownie rozpuścić surową mieszaninę w ~40 ml tetrahydrofuranu (THF).
  6. Dodawać zawartość kolby kroplami do 400 ml szybko wymieszanej mieszaniny benzyny lakowej (40-60 °C) i eteru dietylowego (70:30 v/v) i kontynuować mieszanie, aż sklarowany nad osadem przestanie być mętny.
    Uwaga: Chłodzenie w łaźni lodowej może być wykorzystane do przyspieszenia procesu wytrącania.
  7. Zdekantować supernatant i ponownie rozpuścić pozostałość polimeru w ~40 ml THF.
  8. Powtórzyć proces wytrącania (kroki 1.5-1.7) jeszcze co najmniej dwa razy, aby zapewnić całkowite usunięcie pozostałości monomeru OEGMA. Usunąć nadmiar rozpuszczalnika z oczyszczonego POEGMA macro-CTA najpierw przez mieszanie pod ciągłym strumieniem sprężonego powietrza i suszenie w piecu próżniowym (20 °C, 10 mbar) przez 4 godziny.
  9. Określ średnią liczbową masę cząsteczkową makro-CTA POEGMA za pomocą magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) (Mn, NMR) przy użyciu wcześniej opisanej metody15. Stosując chromatografię żelowo-permeacyjną15 (GPC) (dimetyloacetamid jako faza ruchoma i odpowiednie wzorce do kalibracji) obliczyć dyspersję polimeru (Ð).
    Uwaga: Użycie powyższej syntezy (kroki 1.1-1.8) powinno dać makro-CTA POEGMA z Mn, NMR = 9 000 i Ð < 1,15. Jeśli masa cząsteczkowa (i dyspersyjność) zsyntetyzowanej makro-CTA POEGMA różni się od przedstawionej tutaj syntezy (między 7 000 - 1 000 g/mol), tworzenie się robakowatych miceli (na co wskazuje żelowanie in situ) może nadal zachodzić przy użyciu kolejnej metodologii PISA przedstawionej w (sekcja 2), choć w nieznacznie zmienionym czasie reakcji.

2. Przygotowanie nanocząstek POEGMA-b-PBzMA za pomocą PISA

  1. Przygotować roztwór podstawowy Ru(bpy)3Cl2 o stężeniu 1 mg/ml.6H2O w etanolu (EtOH). Roztwór podstawowy należy przechowywać w lodówce, aby zminimalizować parowanie rozpuszczalnika.
  2. Podłącz pipetę Pasteura małym zwitkiem waty za pomocą drugiej pipety, aby pomóc ją szczelnie zapakować. Wlej zasadowy tlenek glinu do pipety z zatyczką z waty, aby uzyskać kolumnę o długości około 5 cm. Usunąć inhibitor hydrochinonu eteru monometylowego w komercyjnym BzMA, przepuszczając ~ 3 ml BzMA przez kolumnę i zbierając odhamowany eluent BzMA.
  3. Dodać POEGMA macroCTA (~9,000 g/mol; 76,9 mg, 8,5 × 10-6 mol), odhamowany BzMA (0,301 g, 1,71 × 10-3 mol), Ru(bpy)3Cl2.6H2O (128 μg, 1,71×10-7 mol, 128 μl 1 mg/ml roztworu podstawowego etanolu), 0,383 ml MeCN i 1,402 ml EtOH (1,913 ml rozpuszczalnika całkowitego, 80% wag., 20 v/v% MeCN) do 4 ml szklanej fiolki.
  4. Wykonaj procedurę odtleniania zgodnie z opisem w krokach 1.2-1.3.
  5. Umieścić fiolkę w szklanej zlewce o pojemności 2 000 ml (rysunek 2) wyłożonej niebieskimi paskami LED (λmax = 460 nm, 0,7 mW/cm2) i napromieniować w temperaturze pokojowej mieszaniem magnetycznym. Rutynowo monitorować fiolkę reakcyjną po 20 godzinach i wyjąć ją z reaktora, gdy roztwór o wysokiej lepkości tworzy wolnostojący żel, gdy fiolka jest odwrócona (ryc. 3).
    Uwaga: Całkowity czas uzyskania wolnostojącego żelu powinien wynosić około 24 godzin naświetlania światłem niebieskim przy użyciu przedstawionych tutaj warunków. Niewielkie różnice w reaktorach napromieniania światłem (wymiary fizyczne, intensywność itp.) mogą wymagać nieznacznie zmienionych warunków (w szczególności czasu reakcji), aby osiągnąć tworzenie in situ miceli podobnych do robaków.
  6. Po wyjęciu z reaktora należy wygasić polimeryzację, wystawiając żel nanocząsteczkowy na działanie powietrza przez kilka minut i przechowując zamkniętą fiolkę w pozycji pionowej w ciemności.

3. Obrazowanie morfologii nanocząstek za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM)

  1. Umieścić około 40 mg surowego żelu z nanocząstkami (z sekcji 2) w szklanej fiolce o pojemności 4 ml.
  2. Ciągle mieszać żel z nanocząstkami za pomocą mieszalnika wirowego i dodawać kroplami 4 ml EtOH przez okres co najmniej 5 minut. Podczas dodawania rozpuszczalnika żel powinien stać się sypkim roztworem.
    Uwaga: Jeśli żel zostanie rozcieńczony EtOH zbyt szybko lub nie zostanie odpowiednio wymieszany, może dojść do wytrącenia się nanocząstek. Patrz krok 3.3.
  3. Usunąć wszelkie makroskopowe agregaty z rozcieńczonych nanocząstek, filtrując przez watę szklaną.
  4. Wykonać obrazowanie TEM (z barwieniem octanem uranylu) rozcieńczonej próbki zgodnie z wcześniej opisaną procedurą. 15

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

W niniejszym badaniu do syntezy micel przypominających robaki wykorzystano dwuetapowy protokół polimeryzacji z zastosowaniem podejścia PISA (Rycina 1). W pierwszym etapie przeprowadzono polimeryzację OEGMA, w wyniku czego otrzymano makro-CTA POEGMA, który może służyć jako stabilizator w kolejnym etapie polimeryzacji. Polimeryzacja PET-RAFT przebiega w warunkach dyspersyjnych ze względu na nierozpuszczalność PBzMA w etanolu, co ostatecznie prowadzi do powstania nanocząstek...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Ten wizualizowany protokół demonstruje zdolność do monitorowania tworzenia się miceli podobnych do robaków po prostu obserwując początek zachowania podobnego do żelu. Użyteczność tego podejścia polega na możliwości monitorowania tworzenia się robaków podczas polimeryzacji w porównaniu z innymi metodami. Procedurę tę można przeprowadzić przy użyciu dwuetapowej polimeryzacji dwóch dostępnych na rynku monomerów (OEGMA i BzMA) w celu uzyskania samoorganizujących się amfifilowych kopolimerów diblokowych POEGMA-b-PBzMA.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

CB jest wdzięczny za stypendium Future Fellowship od Australian Research Council (ARC-FT12010096) i UNSW Australia.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Kwas 4-cyjano-4-
(fenylokarbomatiotio)pentanowy (CPADB)		Sigma-Aldrich722995-5G
Metakrylan eteru metylowego oligo(glikolu etylenowego) (OEGMA)Sigma-Aldrich447935-500MLŚredni Mn 300, zawiera 100  ppm MEHQ jako inhibitor, 300  ppm BHT jako inhibitor
2,2′-Azobis(2-metylopropionitryl) (AIBN)Sigma-Aldrich
Ru(bpy)3Cl2.6H2OSigma-Aldrich544981-1G
Metakrylan benzylu (BzMA)Sigma-Aldrich409448-1LZawiera eter monometylowy hydrochinon jako inhibitor
Tlenek glinu ( basic)Chem-Supply Pty Ltd AustraliaAL08371000
95% Etanol (EtOH)Sucrogen Bioetanol80889
Acetonitryl (MeCN)Chem-Supply Pty Ltd AustraliaRP1005-G2.5L
Tetrahydrofuran (THF)Chem-Supply Pty Ltd AustraliaTA011-2.5L
Spirytus naftowy (40-60  ° C)Chem-Supply Pty Ltd AustraliaPA044-2.5L
Eter dietylowyChem-Supply Pty Ltd AustraliaEA0362.5L
Dimetyloacetamid (DMAc)VWR International AustraliaALFA22916. M1Do analizy GPC
Pipety Pasteura (230  mm)Labtek355.050.503
Zlewki szklaneLabtek025.01.902 (2L)/ 2110654 (1L)2  Zlewka L służy do mocowania taśm LED w celu utworzenia okrągłego reaktora
Komercyjna taśma LEDEcoLabn/aλ = 460 nm, 4,8 W/m
4 ml Fiolki szklaneLabtekAPC502214B
0,9 ml Kuweta kwarcowaStarna Scientific Ltd21/Q/2
Igła (0,8 mm x 38  mm)Beckton Dickson302017Do reakcji odtleniających
Igła (0,8 mm x 120  mm)B Braun Australia4665643Do reakcji odtleniania
Zatyczka rękawa septa (przegroda gumowaSigma-Aldrichz564680/z564702
Mieszadło Płyty grzejneVWR International Polska/Technologie In Vitro97018-488/RADRR91200
Mieszalnik VortexVWR International Australia412-0098
Piekarnik próżniowyIn Vitro TechnologieMEMVO200
)

Bibliografia

  1. 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).
  2. 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).
  3. Zhang, L., Eisenberg, A. Multiple Morphologies of 'Crew-Cut' Aggregates of Polystyrene-b-poly(acrylic acid) Block Copolymers. Science. 268 (5218), 1728-1731 (1995).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Geng, Y., et al. Shape effects of filaments versus spherical particles in flow and drug delivery. Nat Nano. 2 (4), 249-255 (2007).
  12. Blanazs, A., et al. Sterilizable gels from thermoresponsive block copolymer worms. J. Am. Chem. Soc. 134 (23), 9741-9748 (2012).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Xu, J., Jung, K., Corrigan, N. A., Boyer, C. Aqueous photoinduced living/controlled polymerization: tailoring for bioconjugation. Chem. Sci. 5 (9), 3568-3575 (2014).
  17. 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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Polimeryzacja wiat em widzialnymPET RAFTpolimeryzacja indukowana samoorganizacjpolimeryzacja RAFTsynteza kopolimer w blokowychmorfologia nanocz stekmonitorowanie elowania
Łatwa synteza robakopodobnych miceli za pomocą polimeryzacji dyspersyjnej za pośrednictwem światła widzialnego przy użyciu katalizatora fotoredoks
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.