Synteza monodyspersyjnych cylindrycznych nanocząstek poprzez samoorganizację biodegradowalnych kopolimerów blokowych sterowaną krystalizacją

Podsumowanie

Samoorganizacja sterowana krystalizacją (CDSA) wykazuje unikalną zdolność do wytwarzania cylindrycznych nanostruktur o wąskich rozkładach długości. Wykazano organokatalizowaną polimeryzację ε-kaprolaktonu z otwarciem pierścienia oraz późniejsze wydłużenia łańcuchów metakrylanu metylu i N,N-dimetyloakrylamidu. Przedstawiono żywy protokół CDSA, który wytwarza cylindry monodyspersyjne o długości do 500 nm.

Streszczenie

Produkcja monodyspersyjnych cylindrycznych miceli jest znaczącym wyzwaniem w chemii polimerów. Większość cylindrycznych konstrukcji utworzonych z kopolimerów diblokowych jest wytwarzana za pomocą jednej z trzech technik: rehydratacji cienkich warstw, przełączania rozpuszczalników lub samoorganizacji wywołanej polimeryzacją i wytwarza tylko elastyczne, polidyspersyjne cylindry. Samoorganizacja sterowana krystalizacją (CDSA) to metoda, która pozwala na wytwarzanie cylindrów o tych właściwościach, poprzez stabilizację struktur o mniejszej krzywiźnie w wyniku tworzenia się rdzenia krystalicznego. Jednak żywe techniki polimeryzacji, za pomocą których powstaje większość bloków tworzących rdzenie, nie są procesami trywialnymi, a proces CDSA może przynieść niezadowalające wyniki, jeśli zostanie przeprowadzony nieprawidłowo. Tutaj pokazano syntezę cylindrycznych nanocząstek z prostych odczynników. Opisano suszenie i oczyszczanie odczynników przed polimeryzacją ε-kaprolaktonu katalizowaną przez fosforan difenylu z otwarciem pierścienia. Polimer ten jest następnie wydłużany łańcuchem przez metakrylan metylu (MMA), a następnie akrylamid N,N-dimetylu (DMA) przy użyciu odwracalnej polimeryzacji łańcucha addycyjno-fragmentacyjnego (RAFT), dając kopolimer trójblokowy, który może ulegać CDSA w etanolu. Przedstawiono żywy proces CDSA, w wyniku którego uzyskuje się cylindryczne nanocząstki o długości do 500 nm i dyspersji długości zaledwie 1,05. Oczekuje się, że protokoły te pozwolą innym na wytwarzanie cylindrycznych nanostruktur i podniosą poziom dziedziny CDSA w przyszłości.

Wprowadzenie

Jednowymiarowe (1D) nanostruktury, takie jak cylindry, włókna i rurki, cieszą się coraz większym zainteresowaniem w różnych dziedzinach. Wśród nich ich popularność w nauce o polimerach wynika z ich bogatej różnorodności właściwości. Na przykład Geng i wsp. wykazali, że filomicele wykazują dziesięciokrotny wzrost czasu przebywania w krwiobiegu modelu gryzonia w porównaniu z ich sferycznymi odpowiednikami, a Won i wsp. wykazali, że dyspersje włókien polibutadien-b-poli(tlenku etylenu) wykazują wzrost modułu magazynowania o dwa rzędy wielkości po usieciowaniu rdzenia podczas pomiarów reologicznych^{1, 2}. Co ciekawe, wiele z tych systemów jest syntetyzowanych poprzez samoorganizację kopolimerów blokowych, czy to za pomocą bardziej tradycyjnych metod przełączania rozpuszczalników i rehydratacji cienkowarstwowej³, czy też bardziej zaawansowanych metod, takich jak samoorganizacja indukowana polimeryzacją i samoorganizacja sterowana krystalizacją (CDSA)^4,5. Każda technika ma swoje zalety, jednak tylko CDSA może wytwarzać sztywne cząstki o równomiernym i kontrolowanym rozkładzie długości.

Pionierska praca Gilroya i in. uformowała długie cylindry poliferrocenylsilanu-b-polidimetylosiloksanu (PFS-PDMS) w heksanach oraz, przy użyciu łagodnej sonikacji, bardzo krótkie cylindry o niskiej dyspersji konturowej (L_n). Po dodaniu z góry określonej masy łańcuchów kopolimeru diblokowego do wspólnego rozpuszczalnika, zsyntetyzowano cylindry o różnych długościach z L_n tak niskim, jak 1,03^5,6. Dalsze prace grupy Manners uwypukliły wysoki stopień kontroli możliwy do osiągnięcia dzięki systemowi PFS, który może być używany do tworzenia niezwykle złożonych i hierarchicznych struktur: micele blokowe, micele w kształcie szalika i hantli, aby wymienić tylko kilka^7,8. Po tych demonstracjach naukowcy zbadali inne, bardziej funkcjonalne systemy CDSA, w tym: półkrystaliczne polimery towarowe (polietylen, poli(ε-kaprolakton), polilaktyd)9^,10,11,12,13 oraz polimery przewodzące (poli(3-heksylotiofen), poliselenofen)^14,15. Uzbrojeni w ten zestaw narzędzi systemów kopolimerów diblokowych, które można szybko i wydajnie zmontować, naukowcy przeprowadzili w ostatnich latach więcej badań opartych na aplikacjach¹⁶. Jin i in. wykazali długości dyfuzji ekscytonów w setkach nanometrów w kopolimerach blokowych politiofenu, a nasza grupa wykazała tworzenie żeli z poli(ε-kaprolaktonu) (PCL) zawierających konstrukcje cylindryczne^10,17.

Chociaż jest to potężna technika, CDSA ma swoje ograniczenia. Kopolimery blokowe muszą mieć składnik półkrystaliczny, a także niskie wartości dyspersji i wysokiej jakości cechy grupowe; Zanieczyszczenia blokowe niższego rzędu mogą powodować agregację cząstek lub wywoływać zmiany morfologii^18,19. Ze względu na te ograniczenia stosuje się żywe polimeryzacje. Jednak w celu uzyskania polimerów o wyżej wymienionych właściwościach wymagane jest znaczne oczyszczanie odczynników, procedury suszenia i środowiska wolne od wody/tlenu. Podjęto próby zaprojektowania systemów, które przezwyciężyłyby ten problem. Na przykład kopolimery blokowe PFS zostały utworzone przy użyciu chemii kliknięć w celu połączenia ze sobą łańcuchów polimerowych²⁰. Chociaż powstałe cylindryczne nanocząstki wykazały wzorowe właściwości, kopolimery blokowe są zwykle oczyszczane za pomocą preparatywnej chromatografii wykluczającej wielkość, a synteza PFS nadal wymaga zastosowania żywych polimeryzacji anionowych. Nasza grupa niedawno zdała sobie sprawę z żywego CDSA PCL, którego sukces obracał się wokół użycia zarówno żywych polimeryzacji z otwarciem pierścienia katalizowanych przez zasady organiczne (ROP), jak i odwracalnych polimeryzacji z przeniesieniem łańcucha addycyjno-fragmentacyjnego (RAFT)¹⁰. Chociaż ta metoda jest prostsza, nadal wymagane są żywe polimeryzacje.

Ponieważ dziedzina ta zmierza w kierunku badań opartych na aplikacjach, a także ze względu na problemy związane z żywymi polimeryzacjami, uważa się, że zarys protokołów syntezy polimerów i samoorganizacji będzie korzystny dla przyszłych prac naukowych. W związku z tym w niniejszym manuskrypcie przedstawiono pełną syntezę i samoorganizację kopolimeru PCL-b-PMMA-b-PDMA. Techniki suszenia zostaną przedstawione w kontekście organokatalizowanego ROP ε-kaprolaktonu, a następnie przedstawione zostaną polimeryzacje RAFT MMA i DMA. Na koniec przedstawiony zostanie żywy protokół CDSA dla tego polimeru w etanolu i ocenione zostaną typowe błędy w danych charakterystyki spowodowane słabą techniką eksperymentalną.

Protokół

1. Suszenie toluenu

UWAGA: Jeśli masz dostęp do suchych wież rozpuszczalnikowych, zbieraj toluen i odgazowuj go w pięciu cyklach zamrażania, pompowania i rozmrażania.

1. Suszyć 3 Ω sita molekularne w kolbie Schlenka o pojemności 250 ml w temperaturze 250–300 °C w próżni przez 48 godzin i przenieść do komory rękawicowej.
2. Wysuszyć dwie ampułki w suszarce w temperaturze 150 °C przez noc i przenieść je do schowka.
3. Przenieść aktywowane sita molekularne do dwóch ampułek i wyjąć z komory rękawicowej.
4. Wysuszyć kolbę okrągłodenną z dwiema szyjkami (RBF) i dodać 100 ml toluenu, którego objętość jest równa co najwyżej połowie objętości ampułki. Dodać 1,0 g CaH₂ do toluenu i wymieszać.
   UWAGA: W tym momencie należy zachować ostrożność przy uwalnianiu_H2. Zawsze dodawać CaH₂ przy stałym przepływie azotu, aby usunąć wszelkie nagromadzone H₂ w kolbie.
5. Przenieś toluen do jednej z ampułek zawierających sita molekularne za pomocą kaniuli filtrującej i odpocznij przez noc.
6. Przenieść toluen do ostatniej ampułki zawierającej sita z kaniulą filtrującą. Zamrozić, pompować i rozmrażać (5 cykli) toluen i przenieść do komory rękawicowej.

2. Suszenie inicjatora CTA/DPP

1. Dodać czynnik/inicjator do przenoszenia łańcucha do fiolki, zabezpieczając bibułą.
2. Dodać 10 g_P2O5do eksykatora. Umieścić fiolkę nad proszkiem.
3. Umieścić eksykator w próżni dynamicznej na 8 godzin i próżni statycznej na noc.
4. Otworzyć eksykator, aby wymieszać_P2O5. Wznów cykle próżniowe na 5 dni.
   UWAGA: P₂O₅ może odbarwić się lub stać się grudkowaty, jeśli obecny jest nadmiar rozpuszczalnika/wody. Wymień_P2O5, jeśli jest to przestrzegane.
5. Napełnić eksykator azotem i przenieść do komory rękawicowej.

3. Suszenie/oczyszczanie ε-kaprolaktonu

UWAGA: W tej sekcji, wszystkie naczynia szklane i mieszadełka muszą być wysuszone w piekarniku o temperaturze 150 °C przez noc przed użyciem. Spowoduje to usunięcie całej wody z powierzchni szkła.

1. Dodaj 100 ml ε-kaprolaktonu do dwuszyjkowego 250 ml RBF wyposażonego w mieszadło i postukaj w małą szyjkę.
2. Dodać 1,0 g wodorku wapnia do RBF, pod stałym przepływem azotu. Dopasuj szklany korek i mieszaj przez noc w temperaturze pokojowej w atmosferze azotu.
3. Wysuszyć sprzęt do destylacji próżniowej.
4. Przymocować kolbę dwuszyjkową do przewodu Schlenka i przedmuchnąć, opróżniając i napełniając azotem trzy razy. Po oczyszczeniu otwórz linię na stały przepływ azotu.
5. Zmontuj sprzęt do destylacji próżniowej z ε-kaprolaktonu RBF, utrzymując stały przepływ azotu, aby zapobiec przedostawaniu się wody do systemu. Zamocuj termometr i uszczelkę na miejscu.
6. Przymocuj adapter do linii Schlenk. Usuń przepływ azotu i umieść system pod próżnią pod tym nowym połączeniem.
7. Podgrzej ε-kaprolakton w temperaturze 60-80 °C, zbierając pierwsze 5,0 ml w małych RBF, a resztę w dwuszyjkowym RBF. Umieścić kolby w ciekłym azocie, aby skutecznie skondensować kaprolakton. Owiń sprzęt do destylacji watą i folią, aby przyspieszyć proces.
8. Przymocuj linię Schlenka do kolby zbiorczej i trzykrotnie ją przedmuchnij. Przekręć przewód na azot i otwórz kran. Dodać 1,0 g wodorku wapnia do kolby i zakorkować, a następnie pozostawić na noc w atmosferze azotu.
9. W międzyczasie pozbądź się nadmiaru wodorku wapnia przez kroplowe dodawanie izopropanolu, a następnie 5,0 ml metanolu, a następnie nadmiar wody, gdy bulgotanie ustanie. Opłucz szklane naczynia acetonem i wstaw na noc do piekarnika.
10. Powtórzyć destylację próżniową ponownie, bez dodawania CaH₂ do monomeru po zakończeniu. Zamiast tego przenieś kaprolakton przez kaniulę do ampułki i przenieś do komory rękawicowej.

4. Polimeryzacja ε-kaprolaktonu z otwarciem pierścienia

1. Przygotować roztwory podstawowe inicjatora, katalizatora i monomeru. Odważyć 0,10 g fosforanu difenylu, 0,011 g CTA-OH i 0,25 g kaprolaktonu do trzech oddzielnych fiolek. Dodać 0,5 ml toluenu do każdej z fiolek inicjatora i katalizatora i delikatnie mieszać, aż odczynniki się rozpuszczą.
2. Zmieszać inicjator i roztwory podstawowe fosforanu difenylu w jednej fiolce i dodać mieszadło.
3. Przy umiarkowanym mieszaniu dodać monomer do fiolki z inicjatorem/katalizatorem. Zaopatrzyć fiolkę w pokrywkę i mieszać przez 8 godzin w temperaturze pokojowej.
4. Po 8 godzinach wyjąć fiolkę ze schowka i natychmiast wytrącić kroplami w nadmiarze zimnego eteru dietylowego.
5. Przefiltrować białe ciało stałe, wysuszyć i rozpuścić w 1 ml tetrahydrofuranu (THF). Wytrącić jeszcze dwa razy i dokładnie wysuszyć.

5. Polimeryzacja tratwy metakrylanu metylu i N,N-dimetyloakrylamidu

1. Aby usunąć stabilizatory z dioksanu i MMA, przygotuj kilka podstawowych zatyczek z tlenku glinu w pipetach Pasteura i przefiltruj płyny do oddzielnych fiolek.
2. Odważyć 0,5 g zsyntetyzowanego wcześniej PCL, 0,424 g metakrylanu metylu i odmierzyć 2 ml dioksanu do fiolki i pozostawić do rozpuszczenia.
3. Przygotować roztwór podstawowy czystego azobisisobutyronitrylu (AIBN, 10 mg w 1,0 ml) i odpipetować w 139 μl do mieszaniny reakcyjnej. Przenieść do ampułki wyposażonej w mieszadło i uszczelkę.
4. Zamrozić, pompować, rozmrażać roztwór trzy razy. Napełnić azotem i umieścić ampułkę w podgrzanej kąpieli olejowej w temperaturze 65 °C na 4 godziny
   UWAGA: Nie podgrzewaj pojemnika w temperaturze wyższej niż 30 °C przed zakończeniem cykli zamrażania-pompy-rozmrażania, ponieważ może to spowodować rozkład inicjatora.
5. Aby monitorować konwersję, wyjmij ampułkę z kąpieli olejowej. Zamień nakrętkę na uszczelkę suba pod strumieniem azotu, usuń dwie krople i wymieszaj z deuterowanym chloroformem. Uruchom widmo protonów na instrumencie NMR.
6. Umieść ampułkę w ciekłym azocie do momentu zamrożenia i otwórz ampułkę na powietrze, aby ugasić polimeryzację.
7. Wytrącić mieszaninę kroplami do ogromnego nadmiaru zimnego eteru dietylowego. Wyizolować przez filtrację Buchnera i wysuszyć.
8. Zebrać polimer w THF i wytrącić jeszcze dwukrotnie. Dokładnie wysuszyć polimer i przeanalizować za pomocą spektroskopii ¹H NMR i chromatografii żelowej (GPC).
9. Wykonaj tę procedurę ponownie, ale z 0,5 g PCL-PMMA, 1,406 g DMA, 2,0 ml dioksanu i 111 μl 10 ^mg.mL-1 AIBN w dioksanie. Ogrzewać polimeryzację w temperaturze 70 °C przez 1 godzinę i trzykrotnie wytrącić mieszaninę reakcyjną w zimnym eterze dietylowym.

6. Samozarodkowanie, wytwarzanie nasion i samoorganizacja napędzana żywymi krystalizacjami

1. Umieścić 5,0 mg kopolimeru triblokowego w fiolce i dodać 1,0 ml etanolu. Zamknąć fiolkę pokrywką i parafilmem i podgrzewać w temperaturze 70 °C przez 3 godziny.
2. Pozostawić fiolkę do powolnego ostygnięcia do temperatury pokojowej. Pozostaw roztwór do leżakowania w temperaturze pokojowej przez dwa tygodnie. Roztwór stanie się mętny i utworzy wyraźną warstwę na dole po pełnym złożeniu.
3. Rozcieńczyć dyspersję 5,0 ^mg.mL-1 do 1,0 ^mg.mL-1.
4. Umieść dyspersję w probówce odpornej na sonikację i umieść w łaźni lodowej.
5. Włóż końcówkę sondy sonicznej do środkowego obszaru dyspersji.
6. Sonikować roztwór przez piętnaście cykli po 2 minuty przy najniższej intensywności, pozostawiając do ostygnięcia przez 15 minut przed następnym cyklem.
7. Pobrać podwielokrotność dyspersji nasion 1,0 ^mg.mL-1 i rozcieńczyć do 0,18 ^mg.mL-1.
8. Przygotować roztwór unimeru w THF w stężeniach 25 ^mg.mL-1. Dodaj 32,8 μl do dyspersji nasion i delikatnie wstrząśnij, aby umożliwić całkowite rozpuszczenie.
9. Pozostaw dyspersję do leżakowania przez trzy dni z lekko uchyloną pokrywką, aby THF mógł odparować. W ten sposób powstaną cylindry o długości 500 nm, jeśli początkowe nasiona miały długość 90 nm.

Wyniki

PCL został przeanalizowany za pomocą spektroskopii ¹H NMR i chromatografii żelowej (GPC). Widmo ¹H NMR dało stopień polimeryzacji (DP) 50, porównując rezonanse przy 3,36 ppm i 4,08 ppm, które odpowiadają odpowiednio protonom etylowym grupy końcowej i estrom α-protonom w łańcuchu (Rysunek 1b). Zapewniło to walidację wartości masy cząsteczkowej uzyskanej przez GPC, w której zaobserwowano pojedynczy pik o wartości dyspersji 1,07 przy M_n

Dyskusja

Przedstawiono syntezę i żywą CDSA kopolimeru triblokowego PCL_{50-PMMA 10-PDMA 200} . Chociaż wymagane są rygorystyczne warunki, polimeryzacja ε-kaprolaktonu z otwarciem pierścienia dała polimery o doskonałych właściwościach, które umożliwiły pomyślne wydłużenie łańcucha MMA i DMA. Polimery te z powodzeniem uległy samosiewowi, otrzymując czystą fazę cylindrycznych miceli, które poddano sonikacji na cząstki nasion L_N 98 nm. Dzięki prostemu dodaniu unimeru udało się wyprodu...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
2,2'-azobisisobutyrnitryl	Sigma Aldrich
250 ml ampułka
250 mL ampułka RBF
(25 ml)
B19 kran
B24 korek
Zasadowy tlenek glinu	Fluka
			Buchnera
			Buchnera
Kaniule wodorkowe
Kaprolakton
	Arcos Organics Środek do przenoszenia łańcucha
	Wykonany w domu
Kolba stożkowa (wiele rozmiarów)
Eksykator
Eter dietylowy	Merck
Dioksan	Fisher
difenylofosforan	Sigma Aldrich
Destylacja Kondensor
Etanol	Fisher
Bibuła filtracyjna (wiele rozmiarów)
Żel Przyrząd do chrmoatografii przenikania	Agilent Technologies Infinity 1260 II		Działający DMF pod kątem 50 stopni; C
Schowek podręczny	Mbraun, płyta
	IKA, RCT basic
Termometr
Metakrylan metylu	Sigma Aldrich
Molecular seives	Fisher	MS/1030/53
N,N-dimetyloakryloamid	Sigma Aldrich
NMR spektrometr	Bruker 400 MHz
Pięciotlenek fosforu	Sigma Aldrich
RBF (różne rozmiary)
Czapka Schlenka (B24)
Kolba Schlenka (250 mL)
			Schlenka
	Bandelin Sonoplus
Suba Seal (wiele rozmiarów)
Siatki TEM	EmResolutions, folia Formvar / węglowa 300 mesh miedź
THF	Merck
adapter na trzy szyjki Toluen
	Fisher
Transmisyjny mikroskop elektronowy	Jeol 2100