Методическая статья

Синтез монодисперсных цилиндрических наночастиц с помощью кристаллизации управляемой самосборки биоразлагаемых блоков copolymers

DOI:

10.3791/59772

⸱

20 июня 2019 г.

 ,  ,  , 
1Department of Chemistry, University of Birmingham

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Самосборка, управляемая кристаллизацией (CDSA), демонстрирует уникальную способность изготавливать цилиндрические наноструктуры узких распределений длины. Продемонстрирована органокатальизация кольцеоткрывающей полимеризации капролактона и последующие цепные расширения метил-метакрилата и N,N-диметилааааааа. Наметился живой протокол CDSA, который производит монодисперсные цилиндры длиной до 500 нм.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Производство монодисперсных цилиндрических мицелле является серьезной проблемой в полимерной химии. Большинство цилиндрических конструкций, образованных из диблоки copolymers производятся одним из трех методов: тонкой регидратации пленки, переключения растворителя или полимеризации индуцированной самосборки, и производят только гибкие, полидисперсные цилиндры. Кристаллизация управляемой самосборки (CDSA) является методом, который может производить цилиндры с этими свойствами, путем стабилизации структур нижней кривизны из-за формирования кристаллического ядра. Однако живые методы полимеризации, с помощью которых формируются большинство основных блоков, являются нетривиальными процессами, и процесс CDSA может дать неудовлетворительные результаты, если он будет выполнен неправильно. Здесь показан синтез цилиндрических наночастиц из простых реагентов. Описана высыхание и очистка реагентов до открытия кольца в виде капролактона, катализованного с помощью дифенилового фосфата. Этот полимер затем цепь расширена метил-метакрилат (MMA) следуют N, N-диметил акриламид (DMA) с использованием обратимого добавления-фрагментации цепи передачи (RAFT) полимеризации, предоставляя триблок кополимер, который может пройти CDSA в Этанол. Наметился живой процесс CDSA, результаты которого дают цилиндрические наночастицы длиной до 500 нм, а рассеиваемость длины - всего 1,05. Предполагается, что эти протоколы позволят другим производить цилиндрические наноструктуры и поднимать поле CDSA в будущем.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Одномерные (1D) наноструктуры, такие как цилиндры, волокна и трубки, привлекают все большее внимание в различных областях. Среди них их популярность в полимерной науке обязана их богатым разнообразием свойств. Например, Geng et al. продемонстрировали, что филомиклетов демонстрируют десятикратное увеличение времени пребывания в крови модели грызунов по сравнению с их сферическими аналогами, а Won et al. показали, что полибутадиеновые -b-поли (оксид этилена) волокна дисперсии отображают увеличение модуля хранения на два порядка величины при перекрестном стыковке ядра во время реологических измерений1,2. Интересно, что многие из этих систем синтезируются через самосборку блок кополимеров, будь то через более традиционные методы переключения растворителя и тонкопленочной регидратации3, или более продвинутые методы, такие как полимеризации индуцированной самосборки и кристаллизации самосборки (CDSA)4,5. Каждый метод имеет свои преимущества, однако, только CDSA может производить жесткие частицы с равномерной и управляемой распределения длины.

Пионерская работа Гилроя и др. сформировала длинныеполиферофенилсиланын - b-полидиметилсилоксан (PFS-PDMS) цилиндры в гексанах и, при использовании легкой звуковой, очень короткие цилиндры с низкой разослательностью контурной длины (Ln). При добавлении заданной массы диблокируют сяполимерные цепи в общий растворитель, были синтезированы цилиндры различной длины с Ln как низко как 1.03. Дальнейшая работа группы Manners подчеркнул высокую степень контроля возможно с системой PFS, которые могут быть использованы для формирования удивительно сложных и иерархической структуры: блок-ко-мицеллы, шарф формы и гантели микеля, чтобы назвать несколько7, 8. После этих демонстраций, исследователи исследовали другие, более функциональные системы для CDSA в том числе: полукристаллические товарные полимеры (полиэтилен, поли (капролактон), полилактид)9,10 ,11,12,13 и проводящих полимеров (поли (3-гексилтиофен), полиселенофен)14,15. Вооружившись этим инструментарием диблок-кополимерных систем, которые могут быть собраны быстро и эффективно, исследователи провели больше приложений на основе исследований в последниегоды 16.  Jin et al. продемонстрировали длину exciton диффузии в сотнях нанометров в политиопротеновых блоках copolymers и наша группа продемонстрировала образование гелей из поли (капролактон) (PCL), содержащего цилиндрические конструкции10, 17.

Хотя это мощный метод, CDSA имеет свои ограничения. Кополимеры блока должны иметь полукристаллический компонент, а также низкие значения дисперсии и точность высокой группы; загрязнители блока более низкого порядка могут вызвать агрегацию частиц или вызвать изменения морфологии18,19. Из-за этих ограничений используются живые полимеризации. Тем не менее, для достижения полимеров с вышеупомянутыми свойствами необходимы значительные меры очистки реагентов, процедуры сушки и свободные от воды/кислорода среды. Были предприняты попытки разработать системы, которые преодолевают это. Например, PFS блок кополимеров были сформированы с помощью нажмите химии для объединения полимерных цепей вместе20. Хотя в результате цилиндрические наночастицы продемонстрировали образцовые свойства, блок copolymers, как правило, очищены от preparative размер исключения хроматографии и синтез ПФС по-прежнему требует использования живых анионических полимеризации. Наша группа недавно понял, живые CDSA PCL, успех которого вращался вокруг использования как живых органобаза-катализированные кольца открытия полимеризации (ROP) и обратимой добавления фрагментации цепи передачи (RAFT) полимеризации10. Хотя этот метод проще, живые полимеризации по-прежнему требуется.

По мере того как поле двигает к больше применению-управляемому исследованию, и из-за проблем связанных с living полимеризациями, поверено что план полимерного синтеза и протоколов собственн-сборки будет выгодн к будущей научной работе. Таким образом, в этой рукописи изложен полный синтез и самосборка PCL-b-PMMA-b-PDMA copolymer. Методы сушки будут выделены в контексте органокатзальной РОП капролактона и последующего полимеризации RAFT ММА и ДМА. Наконец, будет представлен живой протокол CDSA для этого полимера в этаноле, и будут критиковать распространенные ошибки в данных о характеристиках из-за плохой экспериментальной техники.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Сушка толуола

ПРИМЕЧАНИЕ: Если у вас есть доступ к сухим башням растворителя, соберите толуол и дегазоизм пять циклов замораживания насоса-оттепели.

  1. Сухие 3 й молекулярное сито в 250 мл болота Schlenk при 250-300 градусов по Цельсию под вакуумом в течение 48 ч и передать в бардачок.
  2. Высушите два ампулы в духовке при температуре 150 градусов по Цельсию на ночь и перенесите их в перчаточный ящик.
  3. Перенесите активированное молекулярное сито в два ампулы и снимите с перчаточного ящика.
  4. Высушите двухрезную кругло-нижнюю колбу (RBF) и добавьте 100 мл толуола, объем которого равен, в лучшем случае, половине объема ампулы. Добавьте 1,0 г CaH2 в толуол и перемешайте.
    ВНИМАНИЕ: Будьте осторожны с H2 релиз в этой точке. Всегда добавляйте CaH2 под устойчивым потоком азота, чтобы удалить любой H2 создать в колбе.
  5. Перенесите толуол в один из ампул, содержащих молекулярное сито с фильтром канюли и отдохнуть на ночь.
  6. Перенесите толуол в последний ампулу, содержащую сито с фильтром канюли. Заморозить-насос-оттепель (5 циклов) толуол и передать в бардачок.

2. Сушка CTA-инициатора/DPP

  1. Добавьте агент/инициатор акцептивов к флакону, закрепив с помощью бумажной бумаги.
  2. Добавьте 10 г P2O5 в обезволожитель. Поместите флакон над порошком.
  3. Поместите обезопажитель под динамический вакуум на 8 ч и статический вакуум на ночь.
  4. Откройте дезикатор, чтобы агитировать P2O5. Возобновить вакуумные циклы в течение 5 дней.
    ПРИМЕЧАНИЕ: P2O5 может обесцвечивать или стать неуклюжим, если избыток растворителя / воды присутствует. Замените P2O5, если это соблюдается.
  5. Заполните осикатор азотом и перенесите в перчаточный ящик.

3. Сушка/очистка капролактона

ПРИМЕЧАНИЕ: Для этого раздела, все стеклянные изделия и мешалка баров должны быть высушены в духовке 150 градусов по Цельсию на ночь до использования. Это позволит удалить всю воду с поверхностей стекла.

  1. Добавьте 100 мл капролактона в двухшеелое 250 мл RBF, оснащенный баром с мешалкой и нажмите на небольшую шею.
  2. Добавьте 1,0 г гидрида кальция в RBF, под устойчивым потоком азота. Пригонка с стеклянной пробкой и перемешать на ночь при комнатной температуре под азотной атмосферой.
  3. Сухие вакуумное оборудование дистилляции.
  4. Прикрепите двухшееобразную колбу к линии Schlenk и продувайте, эвакуируя и заполнив азотом три раза. После очистки откройте линию к устойчивому потоку азота.
  5. Соберите вакуумное оборудование дистилляции из a-caprolactone RBF, поддерживая устойчивый поток азота, чтобы предотвратить попадание воды в систему. Прикрепите термометр и запечатайте на месте.
  6. Прикрепите адаптер к линии Schlenk. Удалите поток азота и поместите систему под вакуум под этим новым соединением.
  7. Нагрейте капролактон при температуре 60-80 градусов по Цельсию, собирая первые 5,0 мл в небольших RBFs, а остальные в двухшеем RBF. Поместите колбы в жидкий азот, чтобы конденсировать капролактон эффективно. Оберните оборудование дистилляции в вату и фольгу, чтобы ускорить процесс.
  8. Прикрепите линию Schlenk к коллекционной колбе и трижды очистите линию. Поверните линию к азоту и откройте кран. Добавить 1,0 г гидрида кальция в колбу, и пробку, а затем оставить под азотной атмосфере помешивая на ночь.
  9. Между тем, распоряжаться избытком гидрида кальция путем dropwise добавить изопропанола, а затем 5,0 мл метанола, а затем избыток воды, как только восходящей прекращается. Промыть стеклянную посуду ацетоном и поставить в духовку на ночь.
  10. Повторите вакуумной дистилляции снова, не добавляя CaH2 к мономеру после завершения. Вместо этого, передача капролактона через канюль в ампулу и передачи в бардачок.

4. Кольцо открытия полимеризации капролактон

  1. Подготовьте биржевые решения инициатора, катализатора и мономера. Взвесить 0,10 г фосфата дифенила, 0,011 г CTA-OH и 0,25 г капролактона в три отдельных флакона. Добавьте 0,5 мл толуола к каждому из инициаторов и катализатора флаконы и осторожно агитировать, пока реагенты не растворяются.
  2. Смешайте инициатора и дифенил фосфатных стоковых растворов в один флакон и добавить перемешать бар.
  3. При умеренном помешивании добавьте мономер в флакон инициатора/катализатора. Приготовь флакон с крышкой и перемешайте в течение 8 ч при комнатной температуре.
  4. После 8 ч, удалить флакон из перчаточного ящика и сразу же осаждается в избыток холодного диэтил эфира dropwise.
  5. Фильтр белый твердый, сухой и растворить в 1 мл тетрагидрофурана (THF). Осадок в два раза больше и высушить тщательно.

5. РАФТ полимеризация метил-метакрилата и N,N-диметилакриламидида

  1. Для удаления стабилизаторов из диоксана и ММА, подготовить несколько основных глиноземных разъемов в пастерных пифеток и фильтровать жидкости в отдельные флаконы.
  2. Взвесить 0,5 г PCL, синтезированных ранее, 0,424 г метил-метакрилата и измерить 2 мл диоксана во флакон и дать раствориться.
  3. Приготовьте запасной раствор из чистого азобизизобутиронитрила (AIBN, 10 мг в 1,0 мл) и пипетки в 139 л в реакционную смесь. Перенесите в ампулу, оснащенную баром и уплотнением.
  4. Заморозить-насос-оттепель раствор три раза. Заполните азотом и поместите ампулу в разогретую масляную ванну при 65 градусах по Цельсию в течение 4 ч.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Не нагревайте контейнер с чем-либо более чем на 30 градусов по Цельсию, прежде чем циклы замораживания насоса-оттепели завершены, так как это может привести к разложению инициатора.
  5. Чтобы контролировать конверсию, удалите ампулу из масляной ванны. Переключите крышку для субынь под потоком азота, удалите две капли и смешайте с дейтерированным хлороформом. Запуск протонного спектра на инструменте NMR.
  6. Поместите ампулу в жидкий азот до замороженного и откройте ампулу в воздух, чтобы утолить полимеризацию.
  7. Осажте смесь dropwise в огромное избыток холодного диэтилового эфира. Изолировать от фильтрации Бухнера и сухой.
  8. Возьмите полимер в THF и осаждается в два раза больше. Тщательно высушите полимер и проанализируйте с помощью 1HMR спектроскопии и гель-пермяки хроматографии (ГПК).
  9. Следуйте этой процедуре еще раз, но с 0,5 г PCL-PMMA, 1,406 г DMA, 2,0 мл диоксана и 111 Л 10 mg.mL-1 AIBN в диоксане. Нагрейте полимеризацию при температуре 70 градусов по Цельсию в течение 1 ч и трижды осаждает реакционную смесь в холодный диэтил-эфир.

6. Самонукляция, генерация семян и живая самосборка, управляемая кристаллизуемыми

  1. Поместите 5,0 мг триблока кополимера в флакон и добавьте 1,0 мл этанола. Печать флакон с крышкой и парафильм и тепла при температуре 70 градусов по Цельсию в течение 3 ч.
  2. Оставьте флакон медленно остыть до комнатной температуры. Оставьте раствор на возраст при комнатной температуре в течение двух недель. Решение станет облачным и образует отдельный слой внизу, когда полностью собрано.
  3. Разбавить 5,0 mg.mL-1 дисперсии до 1,0 mg.mL-1.
  4. Поместите дисперсию в тонизацию доказательство трубки и поместите в ледяную ванну.
  5. Вставьте кончик звукового зонда в среднюю область дисперсии.
  6. Сонйте раствор в течение пятнадцати циклов по 2 мин при наименьшей интенсивности, что позволяет остыть в течение 15 минут до следующего цикла.
  7. Возьмите аликвот 1,0 mg.mL-1 рассеивание семян и разбавьте до 0,18 mg.mL-1.
  8. Подготовьте раствор unimer в THF на 25 mg.mL-1. Добавьте 32,8 л в рассеивание семян и аккуратно встряхните, чтобы обеспечить полное растворение.
  9. Оставьте дисперсию в возрасте в течение трех дней с крышкой слегка приоткрытой, чтобы THF может испаряться. Это будет производить цилиндры 500 нм в длину, если стартовые семена были 90 нм в длину.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

PCL был проанализирован 1HMR спектроскопии и гель проницательности хроматографии (GPC). Спектр 1H NMR дал степень полимеризации (ДП) 50, по сравнению с резонансами на 3,36 пром/ и 4,08 пром, которые соответствуют конечным групповым этиловым протонам и в цепочке эфира- протонов соответственно (рисунок1b). Это обеспечило проверку значений молекулярного веса, полученных GPC, где один пик, с значением дисперсии 1.07, наблюдался с Mn...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Синтез и живой CDSA триблока кополимера PCL50-PMMA10-PDMA200 был изложен. Хотя строгие условия необходимы, кольцо открытия полимеризации капролактон дал полимеров с отличными свойствами, что позволило успешно расширения цепи ММА и DMA. Эти полимеры были успешны в их самостоятельного посева, получение чистой фазы цилиндрических мицелл, которые были sonicated в частицы семян LN 98 нм. Благодаря простому добавлению unimer, цилиндры со средней длиной до 495 нм были произве...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Подтверждения нет.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
2,2'-азобисизобутирнитрилSigma Aldrich
250 мл ампула
250 мл с двумя горлышками RBF
Ampoule (25 мл)
B19 кран
B24 стоппер
Basic AluminaFluka
Бюхнера
Бюхнера
Канюля
гидридом
Arcos Organics
Цепной трансферИзготовленная в доме
коническая колба (несколько размеров)
Десикатор
Диэтиловый эфирMerck
ДиоксанФишера
дифенилфосфатСигма Олдрич
Дистилляционный конденсатор
ЭтанолФишера
(несколько размеров)
Гель Проникающий хроатографический приборAgilent Technologies Infinity 1260 IIс использованием DMF при температуре 50°°; C
Перчаточный ящикMbraun, Unilab
HotplateIKA, RCT базовый
ртутный термометр
метилметакрилатSigma Aldrich
Молекулярные сивыFisherMS/1030/53
N,N-диметилакриламидSigma Aldrich
NMR спектрометрBruker 400 МГц
Пятиокись фосфораSigma Aldrich
RBF (несколько размеров)
Schlenk Cap (B24)
Schlenk Flask (250 мл)
Schlenk Line
Sonication ProbeBandelin Sonoplus
Suba Seal (несколько размеров)
TEM сеткиEmResolutions, формвар/углеродная пленка 300 меш медь
THFMerck
тремя горлышками
ТолуолФишер
Transmission Электронный микроскопJeol 2100
Колба Воронка с капролактона Фильтровальная бумага адаптер с

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Geng, Y., et al. Shape effects of filaments versus spherical particles in flow and drug delivery. Nature Nanotechnology. 2, 249(2007).
  2. Won, Y. -Y., Davis, H. T., Bates, F. S. Giant Wormlike Rubber Micelles. Science. 283 (5404), 960-963 (1999).
  3. Mai, Y., Eisenberg, A. Self-assembly of block copolymers. Chemical Society Reviews. 41 (18), 5969-5985 (2012).
  4. Charleux, B., Delaittre, G., Rieger, J., D’Agosto, F. Polymerization-Induced Self-Assembly: From Soluble Macromolecules to Block Copolymer Nano-Objects in One Step. Macromolecules. 45 (17), 6753-6765 (2012).
  5. Gilroy, J. B., et al. Monodisperse cylindrical micelles by crystallization-driven living self-assembly. Nature Chemistry. 2, 566(2010).
  6. Boott, C. E., et al. Probing the Growth Kinetics for the Formation of Uniform 1D Block Copolymer Nanoparticles by Living Crystallization-Driven Self-Assembly. ACS Nano. 12 (9), 8920-8933 (2018).
  7. Gädt, T., Ieong, N. S., Cambridge, G., Winnik, M. A., Manners, I. Complex and hierarchical micelle architectures from diblock copolymers using living, crystallization-driven polymerizations. Nature Materials. 8, 144(2009).
  8. Wang, X., Guerin, G., Wang, H., Wang, Y., Manners, I., Winnik, M. A. Cylindrical Block Copolymer Micelles and Co-Micelles of Controlled Length and Architecture. Science. 317 (5838), (2007).
  9. Schöbel, J., Karg, M., Rosenbach, D., Krauss, G., Greiner, A., Schmalz, H. Patchy Wormlike Micelles with Tailored Functionality by Crystallization-Driven Self-Assembly: A Versatile Platform for Mesostructured Hybrid Materials. Macromolecules. 49 (7), 2761-2771 (2016).
  10. Arno, M. C., et al. Precision Epitaxy for Aqueous 1D and 2D Poly(ε-caprolactone) Assemblies. Journal of the American Chemical Society. 139 (46), 16980-16985 (2017).
  11. Sun, L., et al. Tuning the Size of Cylindrical Micelles from Poly(l-lactide)-b-poly(acrylic acid) Diblock Copolymers Based on Crystallization-Driven Self-Assembly. Macromolecules. 46 (22), 9074-9082 (2013).
  12. Fan, B., et al. Crystallization-driven one-dimensional self-assembly of polyethylene-b-poly(tert-butylacrylate) diblock copolymers in DMF: effects of crystallization temperature and the corona-forming block. Soft Matter. 12 (1), 67-76 (2016).
  13. He, W. -N., Zhou, B., Xu, J. -T., Du, B. -Y., Fan, Z. -Q. Two Growth Modes of Semicrystalline Cylindrical Poly(ε-caprolactone)-b-poly(ethylene oxide) Micelles. Macromolecules. 45 (24), 9768-9778 (2012).
  14. Patra, S. K., et al. Cylindrical Micelles of Controlled Length with a π-Conjugated Polythiophene Core via Crystallization-Driven Self-Assembly. Journal of the American Chemical Society. 133 (23), 8842-8845 (2011).
  15. Kynaston, E. L., Nazemi, A., MacFarlane, L. R., Whittell, G. R., Faul, C. F. J., Manners, I. Uniform Polyselenophene Block Copolymer Fiberlike Micelles and Block Co-micelles via Living Crystallization-Driven Self-Assembly. Macromolecules. 51 (3), 1002-1010 (2018).
  16. Rizis, G., Mvan de Ven, T. G., Eisenberg, A. Crystallinity-driven morphological ripening processes for poly(ethylene oxide)-block-polycaprolactone micelles in water. Soft Matter. 10 (16), 2825-2835 (2014).
  17. Jin, X. -H., et al. Long-range exciton transport in conjugated polymer nanofibers prepared by seeded growth. Science. 360 (6391), (2018).
  18. Rizis, G., van de Ven, T. G. M., Eisenberg, A. “Raft” Formation by Two-Dimensional Self-Assembly of Block Copolymer Rod Micelles in Aqueous Solution. Angewandte Chemie International Edition. 53 (34), 9000-9003 (2014).
  19. Qiu, H., et al. Uniform patchy and hollow rectangular platelet micelles from crystallizable polymer blends. Science. 352 (6286), 701(2016).
  20. Zhou, H., Lu, Y., Yu, Q., Manners, I., Winnik, M. A. Monitoring Collapse of Uniform Cylindrical Brushes with a Thermoresponsive Corona in Water. ACS Macro Letters. 7 (2), 166-171 (2018).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи