Síntese de Poli ( N -isopropylacrylamide) Janus Microhydrogels para anisotrópica Thermo-resposta e Organophilic / Carregando Capability hidrofílico

Resumo

Apresentamos um protocolo para sintetizar micro-hidrogéis Janus compostos inteiramente do mesmo material base, poli(N-isopropilacrilamida) (PNIPAAm), com uma estrutura claramente compartimentada baseada na separação de fases de uma solução supersaturada de monômero NIPAAm. Os microhidrogéis Janus sintetizados apresentam propriedades únicas, como termorresponsividade anisotrópica e capacidade de carga organofílica/hidrofílica.

Resumo

As micropartículas Janus são partículas compartimentadas com diferentes estruturas moleculares e/ou funcionalidades em cada um de seus dois lados. Devido a essa propriedade única, as micropartículas de Janus foram reconhecidas como uma nova classe de materiais, atraindo assim muita atenção de vários campos de pesquisa. A versatilidade dessas micropartículas foi exemplificada por meio de seus usos como blocos de construção para automontagem, atuadores eletricamente responsivos, emulsificantes para pintura e cosméticos e transportadores para administração de medicamentos. Este estudo apresenta um protocolo detalhado que descreve explicitamente um método sintético para projetar novos micro-hidrogéis Janus compostos por um único material de base, poli(N-isopropilacrilamida) (PNIPAAm). As microgotículas de Janus são geradas primeiro por meio de um dispositivo microfluídico de foco hidrodinâmico (HFMD) baseado na separação de uma solução aquosa de monômero NIPAAm supersaturada e posteriormente polimerizadas por exposição à irradiação UV. Descobriu-se que os microhidrogéis Janus resultantes eram inteiramente compostos do mesmo material de base, apresentavam uma morfologia compartimentada facilmente identificável e exibiam termorresponsividade anisotrópica e capacidade de carga organofílica / hidrofílica. Acreditamos que o método proposto introduz uma nova plataforma de hidrogel com potencial para síntese avançada de microhidrogéis Janus multifuncionais.

Introdução

Os hidrogéis são uma rede de cadeias poliméricas hidrofílicas. ¹ Uma quantidade crescente de pesquisas na área de hidrogéis tem promovido avanços significativos e revelado sua semelhança com tecidos biológicos; As propriedades dos hidrogéis permitem a absorção de grandes quantidades de água, mantendo sua estrutura. Os hidrogéis ambientalmente responsivos também foram estudados extensivamente devido à sua capacidade de inchar ou encolher reversivelmente em resposta a estímulos externos. ² Vários gatilhos, incluindo ^{temperatura,3-5 pH,6,7 luz,8,9} campos ^{elétricos,10,11} e moléculas específicas, como glicose,12,13 têm sido sugeridos para controlar a forma geométrica dos hidrogéis. Entre os muitos hidrogéis ambientalmente responsivos atualmente disponíveis, o poli(N-isopropilacrilamida) (PNIPAAm), um hidrogel termorresponsivo bem conhecido, exibe encolhimento de volume acima de uma baixa temperatura crítica da solução (LCST) de 32 °^C.14 Um estudo recente de Sasaki et al. ¹⁵ relataram a intrigante separação de fases líquido-líquido do NIPAAm supersaturado, que é o monômero do PNIPAAm. De acordo com este relatório, o NIPAAm supersaturado foi dissolvido com um excesso molar de 10 vezes de H₂O e, logo após, a solução se separou em duas fases líquidas quando permite repousar a uma temperatura acima de 25 °C; por outro lado, o NIPAAm diluído foi dissolvido homogeneamente nas mesmas condições.

Micropartículas feitas de hidrogéis ambientalmente responsivos são candidatas fascinantes para aplicação na administração de ^{medicamentos,16,17} catálise,18 detecção,19,20 e fotônica. ²¹ Métodos sintéticos tradicionais, incluindo polimerização em emulsão, são usados para produzir micropartículas de hidrogel com polidispersão. ^22,23 No entanto, certas aplicações requerem micropartículas com distribuição de tamanho estreita, por exemplo, para estabilizar a farmacocinética da administração de medicamentos. ²⁴ Micropartículas embólicas de formato irregular ou polidisperso agregam-se proximalmente em clusters, levando a respostas inflamatórias crônicas em partículas embólicas para tratamento terapêutico do câncer. ^25,26

A abordagem microfluídica está na vanguarda da pesquisa como um meio de fabricar partículas de tamanho micro com distribuições de tamanho estreitas e formas complexas. ^27-31 As vantagens de fabricar micropartículas no dispositivo microfluídico são baseadas no pequeno comprimento característico do dispositivo microfluídico, o que resulta em um baixo número de Reynolds. Em contraste com a emulsificação tradicional em massa, onde as gotas são formadas em paralelo, as microgotículas produzidas em dispositivos microfluídicos são geradas em série e posteriormente polimerizadas em micropartículas após a exposição à irradiação UV. O princípio fundamental da formação de gotículas usando um dispositivo microfluídico é o equilíbrio entre a tensão interfacial e a força de cisalhamento do fluido da bainha que atua no fluido do núcleo.

Apesar das vantagens óbvias da fabricação microfluídica de gotículas/partículas, as gotículas/partículas de Janus que consistem no mesmo material de base raramente são relatadas porque a morfologia interna dessas gotículas/partículas é geralmente perturbada pela difusão e perturbação dos fluidos do núcleo. Para contornar essa limitação intrínseca, dois grupos relataram recentemente a preparação das micropartículas Janus empregando separação de fase induzida por calor de nanopartículas coloidais e separação de fase direcionada por UV. ^32,33

Para este fim, relatamos uma abordagem microfluídica para sintetizar microhidrogéis Janus inteiramente compostos por um único material de base e obter um produto com morfologia claramente compartimentada. Nossa abordagem é baseada no conceito primário de separação de fase líquido-líquido de monômero NIPAAm supersaturado. Descobriu-se que os micro-hidrogéis Janus resultantes possuem propriedades únicas, incluindo termorresponsividade anisotrópica e capacidade de carga organofílica / hidrofílica.

Protocolo

1. Fabricação de um molde de mestre para a focagem hidrodinâmica dispositivo micro (DMPB) através de fotolitografia

1. Projetar uma fotomáscara para o DMPB (Figura 1a), utilizando software assistida por computador (CAD) de acordo com o protocolo do fabricante.
2. Lavar uma bolacha 4 'silício com acetona, álcool isopropílico (IPA), e água desionizada (DI) para remover o pó orgânico e inorgânico a partir da bolacha.
3. Limpar a bolacha de silício com _O2 no plasma a 100 W de potência durante 5 min para aumentar a resistência de ligação entre a bolacha e SU-8.
4. Spin-revestimento de 4 ml do fotorresistente negativo, SU-8 2150, sobre a bolacha a 3.000 rpm durante 30 segundos para se conseguir uma espessura de 150 um (B1 na Figura 1b).
5. Coloque a pastilha revestida SU-8 numa placa de aquecimento durante 5 min a 65 ° C, ajustar a temperatura a 95 ° C, e, em seguida, deixar a bolacha sobre a placa de aquecimento durante 30 min a cozer macio.
6. Coloque oconcebido fotomáscara sobre a bolacha e expor à luz UV (260 mJ cm ^-2, 26 seg para 10 mW cm ^-2) em um alinhador de máscara (B2 na Figura 1b).
7. Realizar pós-exposição cozer numa placa de aquecimento (65 ° C durante 5 minutos e depois 95 ° C durante 12 min).
8. Desenvolver o wafer por imersão num banho de revelador SU-8 durante 10 min, e, em seguida, transferi-la para revelador novo durante 5 segundos para se obter uma superfície limpa.
9. Lavar a bolacha durante 20 segundos com água desionizada e secá-lo por 10 s com gás _N2 (B3 na Figura 1b). Use o wafer fabricado como um molde mestre para polidimetilsiloxano (PDMS) fundição na Seção 2.

2. Fabricação do DMPB através Fundição PDMS

1. Use o wafer padronizada obtida na Seção 1 como o molde mestre para fundição PDMS.
2. Misturar o PDMS pré-polímero e um agente de cura de forma homogénea a uma proporção em peso de 10: 1; por exemplo, utilizar um g de agente de cura para 10 g de PDMS pré-polímerer.
3. Verter o PDMS pré-polímero no interior do molde mestre e desgaseificar-lo durante 1 hora numa câmara de vácuo (B4 na Figura 1b).
4. Coloque o molde mestre com o pré-polímero de PDMS em uma estufa a 65 ° C durante 3 h.
5. Cortar o PDMS curados para o tamanho de um único chip, utilizando um bisturi afiado. Retire cuidadosamente a réplica PDMS curado do molde mestre com a mão.
6. Repita os passos 2.2 a 2.5 para obter uma réplica idêntica PDMS.
7. Perfurar orifícios de entrada e saída em uma das réplicas que utilizam um furo-perfurador com um diâmetro ligeiramente menor que o diâmetro exterior da tubagem de ligação.
8. Aplicar tratamento com plasma de ar para a área de ligação de cada réplica usando um tratador de corona. ³⁴
   Cuidado: Use o tratador corona em uma área com boa ventilação para evitar a acumulação de ozono.
9. Queda de 5 mL de metanol para as áreas tratadas com plasma de ar. Finamente alinhar dois PDMS réplicas idênticas para fabricar o DMPB pela manipu lado mento, e verificar o alinhamento através de um microscópio (b5 na Figura 1b).
   Nota: As réplicas tratados com plasma PDMS aéreos são bastante pegajoso e difícil de manipular. Assim, 5 mL de metanol é adicionado à superfície tratada por plasma a ar para funcionar como um lubrificante.
10. Coloque a DMPB num forno regulado para 65 ° C durante a noite para reforçar a ligação entre duas réplicas de PDMS (B6 na Figura 1b). Bond dois PDMS réplicas idênticas para aumentar a altura do microcanal do DMPB e evitar o entupimento das microgotículas no canal microfluídico durante a operação.

Figura 1: Visão Geral do Procedimento DMPB Fabrication (a) Projeto parâmetros da fotomáscara para o DMPB.. (B) Ilustração do processo de fabricação para o DMPB.ftp_upload / 52813 / 52813fig1large.jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. Preparação de NIPAAm-ricos (N-rico) e NIPAAm-pobres (N-pobres) Fases por separação de fases de Supersaturated NIPAAm

1. Dissolver monómero NIPAAm em água desionizada a razão de W / W de 1: 1 utilizando um misturador de vórtice; por exemplo, dissolver-se 10 g de NIPAAm em 10 ml de água Dl (primeira imagem da Figura 2a).
   Observação: Uma vez que o monómero NIPAAm está totalmente dissolvidos à temperatura ambiente, a solução é mais turvo (segunda imagem da Figura 2a). Este fenómeno é o primeiro sinal de que a separação de fases induzida pela solubilidade do monómero NIPAAm supersaturada ocorreu com sucesso.
2. Permitir que a solução de monómero a descansar numa posição vertical à temperatura ambiente durante pelo menos 15 min. A fase superior é a fase de N-rico, e a fase mais densa de fundo é a fase de N-pobres (terceira imagem da Figura 2a). As densidades de thfases e N-rico e N-pobres são 0,93 ± 0,01 e 0,99 ± 0,01 g cm ^-3, respectivamente ^15.
3. Quando a interface de separação das duas fases se torna claro, extrair cuidadosamente 2 mL de solução de monómero a partir das fases de n-ricas e N-pobres sem perturbar esta interface usando uma pipeta.
4. Adicionar 4 mg de N, N '-methylenebisacrylamide (MBAAm) como um agente de reticulação e 4 mg de 4- (2-hidroxietoxi) fenil- (2-hidroxi-2-propil) cetona como um fotoiniciador para a extraída N-rico e N -pobres soluções de monômero para preparar fluidos do núcleo 1 e 2 para a baixa concentração de reticulação (2 mg ml ^-1) de amostra (B1 e B2 na Figura 2b).
5. Repita a etapa anterior de 3,3 e adicionar 80 mg de MBAAm e 4 mg de 4- (2-hidroxietoxi) fenil- (2-hidroxi-2-propil) cetona, em cada uma solução de monómero de N-rico e pobre N-extraídos para preparar fluidos do núcleo 1 e 2 para a alta concentração de agente de reticulação (40 mg ml ^-1) amostra (B3 e B4 na Figure 2b).
6. Dissolve-se 10% em peso de agente tensioactivo de óleo em óleo mineral para preparar o fluido de revestimento (b5 na Figura 2b).

Figura 2:. Preparação de Material para Janus Microhydrogel Síntese (a) Preparação de soluções de N-N-ricas e pobres de monómero por meio de separação de fases de NIPAAm supersaturada. (B) Os detalhes dos materiais e montagem experimental utilizada no protocolo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

4. Síntese de Janus Microhydrogels Usando o DMPB

1. Carga 2 ml de fluidos do núcleo 1 e 2 (B1, B2 B3 ou B4 na figura 2b) e o fluido de revestimento (b5 na Figura 2b) separados em três seringas de 3 ml.
Montar as seringas para as bombas de seringa e ligar cada seringa para a entrada de fluido apropriado do DMPB utilizando tubagem (figura (b). Use tubagem para ligar a saída de fluido do DMPB para um reservatório de recolha.
2. Definir as bombas de seringa e infundir fluidos do núcleo 1 e 2 e o fluido de revestimento a velocidades de fluxo de 2, 2, e 10 ul min ^-1, respectivamente.
3. (Opcional) Ajustar a velocidade de fluxo de fluidos do núcleo 1 e 2 para ajustar os rácios de volume relativo de cada lado da microgotícula Janus.
4. Posicionar a fonte de luz UV na perpendicular de cerca de 1 cm de distância do reservatório de recolha. Ligar a fonte de luz UV e monitorizar visualmente a produção contínua de microhydrogels Janus.
   Cuidado: Use proteção UV-óculos de proteção quando o monitoramento da produção microhydrogel.
5. Recolher os microhydrogels Janus fabricadas em um tubo cônico e lavá-los usando IPA. Em seguida, centrifugar o tubo cônico (780 g por 5 min) para liquidar amicrohydrogels.
6. Repita Passo 4.6 várias vezes para remover o óleo mineral em torno das microhydrogels Janus completamente.
7. Repita Passo 4.6, mas o uso de água DI, com um agente tensioactivo água de 0,005% (v / v) em vez de IPA para remover o restante IPA em torno dos microhydrogels Janus.
8. Armazenar microhydrogels Janus completamente lavada num frasco de 10 ml contendo água Dl.

5. Análise da anisotrópica Thermo-responsividade de Janus Microhydrogels

1. Usar uma pipeta para colocar microhydrogels Janus sintetizados a partir da Secção 4 numa placa de 24 poços. Permitir que as microhydrogels em repouso durante 15 segundos até uma monocamada é formada na superfície do fundo do poço.
2. Obter uma imagem do microhydrogel Janus a 24 ° C usando um microscópio óptico na posição vertical com uma lente objectiva 5X.
3. Definir um módulo termoeléctrico, sob a placa e assim controlar a tensão de este módulo para aumentar a temperatura da solução contendo Janus microhidrogéis a 32 ° C.
4. Obter uma imagem do microhydrogel Janus a 32 ° C, mais uma vez usando um microscópio óptico vertical com uma lente objetiva de 5X.
5. Repita os passos 5,2-5,4 24 vezes, tendo o cuidado de escolher um microhydrogel Janus diferente para análise estatística.
6. A partir das 25 imagens de diferentes microhydrogels Janus, de 24 e 32 ° C, medir o raio das partes PN-ricas e pobres-PN dos microhydrogels Janus usando software de análise de imagem de acordo com as instruções do fabricante.

Resultados

A Figura 3a apresenta um esquema da montagem experimental utilizada para sintetizar microhydrogels Janus através do DMPB. As fases de n-ricas e pobres N-precisamente foram injectados no DMPB como fluidos do núcleo 1 e 2 e, em seguida, fundiram-se e divididos em microgotículas Janus no orifício pelo fluido de revestimento de óleo mineral por causa da instabilidade Rayleigh capilar. Consequentemente, microgotículas Janus compostas por fases de N-N-ricas e pobres f...

Discussão

Dois materiais de base imiscíveis são geralmente utilizados para sintetizar os microhydrogels Janus. Até recentemente, microhydrogels Janus constituídos do mesmo material de base foram raramente reportados e os microhydrogels Janus relatados não tinha uma morfologia interna clara devido à perturbação causada pela miscibilidade dos materiais componentes. ^{35, 36} Neste protocolo, demonstramos um método para sintetizar microhydrogels Janus compostos inteiramente de material de base única, PNIPAAm, com uma estrutu...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Bolacha de silício	LG Siltron	4", Wafer de grau de teste	para fabricação de moldes mestres
Acetona	Samchun Pure Chemical	A0097	Limpeza wafer de silício
Álcool isopropílico (IPA)	Daejung Chemicals & Metais	5035-4404	Limpeza de wafer de silício
Sistema de purificação de água	Merck Millipore	EMD Millipore RIOs Essential 5	Prepering  água deionizada
O2 máquina de plasma	Femto Science	VITA-A	Limpeza de wafer de silício
SU-8 2150 fotorresistente negativo	MicroChem	Y111077 0500L1GL	Fotorresistente para fabricação de molde mestre
Placa quente	Misung Scientific	HP330D, HP150D	Baking SU-8
SU-8 desenvolvedor	Microchem	Y020100 4000L1PE	Desenvolvimento do
sistema alinhador de máscara SU-8 para fotolitografia	Shinu Mst Co.	CA-6M	Fotolitografia
Sylgard 184 kit de elastômero de silicone	Dow Corning	1064891	PDMS fundição
Laboratório Corona Treater	Electro-technic Products Inc.	Modelo BD-20AC	PDMS tratamento de plasma de ar
N-isopropilacrilamida (NIPAAm)	Monômero	Sigma-Aldrich	415324-50G
N,N'-metilenobisacrilamida (MBAAm)	Sigma-Aldrich	146072-100G	Reticulador de NIPAAm
4-(2-hidroxietoxi)fenil-(2-hidroxi-2-propil)cetona, Irgacure 2959	BASF	55047962	Fotoiniciador de NIPAAm
ABIL EM 90	Evonik Indústrias	201109	Sufactante para misturador de
vórtice	Scientific Industries Inc.	Vortex-Genie 2	Tubo de mistura
Tygon	Saint-Gobain	I.D. 1/32", O.D. 3/32", Parede 1/32"	Tubo de ligação entre seringas e HFMD
Fonte de luz UV	Hamamatsu	Fonte de luz pontual LC8	Polimerização de NIPAAm a PNIPAAm
Seringas, NORM-JECT (3 ml)	Henke-Sass Wolf GmbH	22767	Carregamento de materiais
Bomba de seringa	KD Científico	KDS modelo 200	Perfusão de materiais
Tegitol Tipo NP-10	Sigma-Aldrich	NP10-500ML	Surfactante para água
Óleo vermelho O	Sigma-Aldrich	O0625-25G	Corante para fase rica em N
Óleo Azul N	Sigma-Aldrich	391557-5G	Corante para fase rica em N
Corante alimentar amarelo	Edentown F & B	NA	Corante para fase N-pobre
Corante alimentar verde	Edentown F & B	NA	Corante para fase N-pobre
Fonte de alimentação	Agilent	E3649A	Fonte de alimentação para módulo termoelétrico
Módulo termoelétrico Peltier		FALC1-12710T125	Controle de temperatura
Máquina centrífuga	Labogene	1248R	Microhidrogéis de assentamento
Placa de 24 poços	SPL Life Sciences	32024	Reservatório para observação
Microscópio óptico	Nikon	ECLIPSE 80i	Observação óptica
Software de análise de imagem	IMT i-Solution Inc.	iSolutions DT	Medição de raio