Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Summary

Kristalizasyon odaklı Self-montaj (CDSA), dar uzunlukta dağılımların silindirik nanoyapılarını üretebilmek için benzersiz bir yetenek gösterir. Ε-kapolakton ve Metil metakrilat ve n, n-dimetil akrilamid sonraki zincir uzantılarının organokatalyzed halka açma polimerizasyonu gösterilmiştir. 500 Nm uzunluğa kadar Monodisperse silindirleri üreten bir canlı CDSA Protokolü özetlenmiştir.

Abstract

Monodisperse silindirik miselleri üretimi polimer kimyasında önemli bir sorundur. Diblock kopolimerlerden oluşan en silindirik yapılar üç teknikten biri tarafından üretilmektedir: ince film rehidrasyon, solvent anahtarlama veya polimerizasyon kaynaklı kendi kendine montaj ve sadece esnek, polydağıtıcı silindirler üretir. Kristalizasyon odaklı kendinden montaj (CDSA), bir kristalin çekirdeğinin oluşumu nedeniyle daha düşük bir eğrilik yapılarını stabilize ederek, bu özelliklere sahip silindirler üretebilen bir yöntemdir. Ancak, çoğu çekirdek oluşturan blokların oluşturduğu yaşam polimerizasyon teknikleri önemsiz süreçler değildir ve yanlış gerçekleştirildiğinde CDSA işlemi tatmin edici sonuçlar verebilir. Burada, basit reaktiflerin silindirik nanopartikülleri sentezini gösterilir. Difenil fosfat tarafından katalizlenmiş ε-kapolaktik halka açma polimerizasyonu öncesinde reaktiflerin kurutulması ve arıtılması açıklanmıştır. Bu polimer daha sonra metil metakrilgeç (MMA) tarafından izlenen, n, n-dimetil AKRILAMID (DMA) tarafından geri dönüşümlü ek-parçalanma zinciri-transfer (Raft) polimerizasyonu kullanarak, CDSA ‘ya geçebilen bir triblock kopolimeri Etanol. Yaşayan CDSA süreci özetlenmiştir, hangi verim silindirik nanopartiküller kadar 500 Nm uzunluğunda ve 1,05 kadar düşük bir uzunluk dağılma. Bu protokoller başkalarının silindirik nanoyapılar üretmek ve gelecekte CDSA alanını yükseltmek için izin verecektir bekleniyor.

Introduction

Silindirler, lifler ve tüpler gibi tek boyutlu (1D) nanoyapılar, çeşitli alanlarda ilgi artan aldı. Bunların arasında, Polimer bilim onların popülerlik özellikleri zengin çeşitli borçlu. Örneğin, Geng ve ark. bu filomicelles bir kemirgen modelin kan dolaşımında ikamet zamanında bir kat artış sergi gösterdi onların küresel meslektaşları ile karşılaştırıldığında, ve Won ve al. ortaya polybutadiene-b-Poly (etilen oksit) fiber dispersiyonlar, reolojik ölçümler sırasında çekirdeğin çapraz bağlanması üzerine iki büyüklük emri ile depolama modülünde bir artış görüntüler^1,2. İlginçtir ki, bu sistemlerin çoğu blok kopolimerler kendi kendine montaj yoluyla sentezlenen, bu solvent anahtarlama ve ince film rehidrasyon³daha geleneksel yöntemlerle olup olmadığını, ya da daha gelişmiş yöntemler gibi polimerizasyon kaynaklı Self-montaj ve kristalizasyon odaklı Self-montaj (CDSA)^4,5. Her bir tekniği kendi avantajları tutar, ancak, sadece CDSA bir üniforma ve kontrol edilebilir uzunluk dağılımı ile sert parçacıklar üretebilir.

Gilroy ve al. uzun polyferrocenylsilane-b-POLYDİMETHYLSİLOXANE (PFS-PDMS) silindir hekzanlar ve hafif sonication, çok kısa silindir düşük kontur uzunluğu dispersite (L_n) ile kullanıldığında kuruldu. Ortak bir solvent içinde diblock kopolimer zincirleri önceden belirlenmiş bir kitle eklenmesi üzerine, 1,03 gibi düşük bir L_n ile değişen uzunluklarda silindirler⁵sentezlenmiş^,6. Görgü grubu tarafından daha fazla çalışma son derece karmaşık ve hiyerarşik yapıları oluşturmak için kullanılabilecek PFS sistemi ile mümkün olan kontrol yüksek derecede vurgulanır: blok-Co-miselleri, eşarp şekilli ve dumbbell miselleri birkaç isim^{7, 8}. bu gösteriler takip, araştırmacılar diğer inceledi, CDSA için daha fonksiyonel sistemler dahil: Yarı kristalin emtia polimerleri (polietilen, Poly (ε-caprolakone), polylactide)^{5/9 ,11,12,13} ve iletken polimerler (Poly (3-hexylthiophene), polyselenophene)^14,15. Hızlı ve verimli bir şekilde monte edilebilir diblock kopolimer sistemlerinin bu araç kutusu ile silahlı, araştırmacılar son yıllarda daha fazla uygulama odaklı araştırma gerçekleştirdi¹⁶.  Jin ve al. polythiophene blok kopolimerlerinde nanometrelerde yüzlerce difüzyon uzunlukları gösterdi ve grubumuzu Poly (ε-caprolakone) (PCL) gelen jellerin oluşumunu göstermiştir silindirik yapıları^{10, 17 yaşında}.

Güçlü bir teknik olmasına rağmen, CDSA ‘nın sınırlamaları vardır. Blok kopolimerler Yarı kristalin bir bileşene sahip olmalıdır, yanı sıra düşük dağılmak değerleri ve yüksek son grup fidelities; düşük sipariş bloğu kirleticiler parçacık toplamasına neden olabilir veya morfoloji değişikliklerini^18,19. Bu kısıtlamalar nedeniyle yaşam polimerizasyonu kullanılır. Ancak, yukarıda belirtilen özelliklere sahip polimerler elde etmek için önemli reaktif arıtma, kurutma prosedürleri ve su/oksijen içermeyen ortamlar gereklidir. Bu üstesinden gelen sistemler tasarım girişimleri yapılmıştır. Örneğin, PFS blok kopolimerler birlikte²⁰polimer zincirleri çift için tıklayın Kimya kullanılarak oluşturulmuştur. Elde edilen silindirik nanopartiküller örnek özellikleri gösterse de, blok kopolimerler genellikle Preparatif boyut dışlama kromatografi ile arındırılır ve PFS sentezi hala yaşam anyonik kullanımını gerektirir polimerizasyon. Grubumuz son zamanlarda, hem yaşayan organobase-katalizör Ring-açılış polimerizasyon (ROP) ve geri dönüşümlü toplama-parçalanma zincir transferi (RAFT) polimerizasyon¹⁰kullanarak etrafında döner başarılı PCL, yaşayan CDSA fark etti. Bu yöntem daha basit olsa da, yaşam polimerizasyonu hala gereklidir.

Alan daha fazla uygulama odaklı araştırma doğru hareket ederken, ve yaşam polimerizasyon ile ilgili sorunlar nedeniyle, bu polimer sentezi ve öz-montaj protokolleri bir anahat gelecekteki bilimsel çalışmalar için avantajlı olacaktır inanılmaktadır. Böylece bu yazıda PCL-b-PMMA-b-pdma kopolimer ‘in tam sentezi ve kendi kendine montajı özetlenmiştir. Kurutma teknikleri ε-caprolakton bir organokatalyzed ROP bağlamında vurgulanacaktır ve MMA ve DMA sonraki RAFT polimerizasyon özetlenecektir. Son olarak, etanol içinde bu polimer için yaşayan bir CDSA Protokolü sunulacak ve zayıf deneysel tekniği nedeniyle karakterize verilerinde ortak hatalar eleştirilecektir.

Protocol

1. Toluen kurutma

Not: Eğer kuru solvent kuleleri erişim varsa, beş donma-pompa-çözme döngüleri tarafından Toluen ve Degas toplayın.

1. 250 mL Schlenk Flask, 250-300 °C ‘ de 48 h için vakum altında Kuru 3 Å moleküler elek ve bir glovebox içine transfer.
2. 150 °C ‘ de fırında iki ampul kurutun ve onları glovebox ‘a aktarın.
3. Aktif moleküler elekleri iki ampulün içine aktarın ve glovebox ‘tan çıkarın.
4. İki boyun yuvarlak alt Flask (RBF) Kuru ve 100 mL Toluen ekleyin, hacmi, en fazla, ampul hacmi yarısı eşittir. Toluen için 1,0 g cah₂ ekleyin ve karıştırın.
   DIKKAT: Bu noktada H₂ sürümüne dikkat edin. Her zaman CaH₂ eklemek her H₂ kaldırmak için azot sabit bir akış altında flask içinde inşa.
5. Toluen ‘ye, bir filtre kanül ve gece istirahat ile moleküler elekler içeren ampullerin birine aktarın.
6. Toluen ‘i, filtre kanulası olan elek içeren son ampul içine aktarın. Donma-pompa-çözme (5 döngü) Toluen ve bir glovebox içine transfer.

2. CTA-Başlatıcı/DPP ‘nin kurutulması

1. Zincir transfer ajanı/başlatıcısı bir şişeye ekleyin, doku kağıdı ile güvence altına.
2. P₂O₅ ‘ in 10 g ‘i bir kurutucu içine ekleyin. Şişenin üzerine toz yerleştirin.
3. Bir gecede 8 saat ve statik vakum için dinamik vakum altında kurutucu yerleştirin.
4. P₂O₅‘ i taklit etmek için kurutucu açın. Vakum döngülerini 5 gün boyunca devam ettirin.
   Not: P₂O₅ discolor Mayıs veya aşırı solvent/su varsa, küme olabilir. P₂O₅ ‘ i gözlemlenirse değiştirin.
5. Kurutucu azot ile geri doldurun ve bir glovebox transfer.

3-ε-caprolakton kurutma/arıtma

Not: Bu bölüm Için, tüm cam ve karıştırıcı çubuklar bir gece önce bir 150 °C fırın kurutulması gerekir. Bu, camın yüzeylerinden tüm suyu kaldıracaktır.

1. Bir karıştırıcı çubuk ile donatılmış ve küçük boyun dokunun iki boyun 250 mL RBF için ε-caprolactone 100 mL ekleyin.
2. RBF içine kalsiyum hidrat 1,0 g ekleyin, istikrarlı bir azot akışı altında. Bir cam stoper ile sığacak ve bir azot atmosferi altında oda sıcaklığında gecede karıştırın.
3. Vakum damıtma ekipmanlarını kurutun.
4. İki boyun Flask bir Schlenk hattına takın ve tahliye ve nitrojen ile doldurma üç kez temizleyin. Arındırma işleminden sonra, sabit bir nitrojen akışına hattı açın.
5. Vakum damıtma ekipmanlarını ε-caprolakone RBF ‘den toplayın ve suyun sisteme girmesini önlemek için istikrarlı bir azot akışını sürdürür. Termometre ve mührü yerine takın.
6. Adaptörü Schlenk hattına takın. Nitrojen akışını çıkarın ve sistemi bu yeni bağlantı altında vakum altına yerleştirin.
7. 60-80 °C ‘ de ε-caprolakone ‘ ı ısıtın, küçük RBFs ‘de ilk 5,0 mL ve iki yakalı RBF ‘de geri kalanı toplama. Kapolakton etkili bir şekilde yoğunlandırma için sıvı nitrojen içinde flsorı yerleştirin. Damıtma ekipmanlarını Pamuk yün ve folyo içinde sarın ve işlemi hızlandırın.
8. Schlenk hattını koleksiyon Flask ‘a takın ve çizgiyi üç kez temizleyin. Çizgiyi nitrojen olarak çevirin ve musluk açın. Flask için kalsiyum Hidrit 1,0 g ekleyin ve bir stoper, daha sonra bir gecede karıştırma bir azot atmosferi altında bırakın.
9. Bu arada, aşırı kalsiyum Hidrit isopropanol dropwise ilavesi ile atlayarak, takip 5,0 mL metanol ve daha sonra bir kez köpüren sona erer su fazla. Bir gecede fırında aseton ve yer ile cam durulayın.
10. Bir kez bitmiş monomer için CaH₂ eklemeden, tekrar vakum damıtma tekrarlayın. Bunun yerine, bir ampul içine kanül aracılığıyla caprolakone aktarmak ve glovebox aktarmak.

4. ε-kapolactone ‘ın halka açma polimerizasyonu

1. Başlatıcı, katalizör ve monomer stok çözümlerini hazırlayın. 0,10 g difenil fosfat, 0,011 g CTA-OH ve 0,25 g caprolakone üç ayrı şişelere tartın. Her başlatıcı ve katalizör şişeleri için 0,5 mL Toluen ekleyin ve reaktifler çözülene kadar yavaşça karıştırın.
2. Bir şişe içine Başlatıcı ve difenil fosfat stok çözümleri karıştırın ve bir karıştırın Bar ekleyin.
3. Ilımlı karıştırma altında, monomer Başlatıcı/katalizör şişeye ekleyin. Bir kapak ile şişe sığdırın ve oda sıcaklığında 8 h için karıştırın.
4. 8 saat sonra, şişe glovebox çıkarın ve hemen soğuk dietil eter dropwise bir aşan içine çökeltir.
5. Beyaz katı, Kuru ve 1 ml tetrahidrofuran (THF) içinde çözünür filtre. İki kez daha çökeltir ve iyice kurutun.

5. metil metakrilgeç ve n, n-dimetylacrylamide Raft polimerizasyonu

1. Dioksan ve MMA stabilizatörleri kaldırmak için, Pasteur pipetleri birkaç temel Alümina fişleri hazırlamak ve ayrı şişeler içine sıvıları filtre.
2. Tartmak 0,5 g PCL daha önce sentezlenen, 0,424 g Metil metakrilat ve ölçmek 2 dioksan ml bir şişe içine ve çözülür izin.
3. Saf azobisisobutyronitrile (AıBN, 10 mg 1,0 mL) ve 139 μL ‘de pipet reaksiyonu karışımından oluşan bir stok solüsyonu hazırlayın. Karıştırın bar ve mühür ile donatılmış bir ampul aktarın.
4. Donma-pompa-solüsyonu üç kez çözün. Azot ile geri doldurun ve ampulü ön ısıtılmış yağ banyosuna 65 °C ‘ de 4 h ‘ye yerleştirin.
   Not: Bu başlatıcısı decompose neden olabilir gibi dondurmak pompa çözme döngüleri tamamlanmadan önce 30 °C ‘ den fazla bir şey ile kabı ısıtmayın.
5. Dönüşüm izlemek için, yağ banyosundan ampul çıkarın. Bir azot akışı altında bir Suba mühür için Cap geçiş, iki damla kaldırmak ve döşekli kloroform ile karıştırın. Bir NMR enstrüman üzerinde bir proton spektrum çalıştırın.
6. Soğutuluncaya kadar sıvı azot içinde ampul yerleştirin ve polimerizasyon gidermek için hava ampul açın.
7. Karışımı dropwise soğuk dietil eter büyük bir aşırı içine çökeltir. Buchner filtrasyon ve kuru ile izole.
8. THF ‘de polimer alın ve iki kez daha çökeltir. Polimeri iyice kurutun ve ¹H NMR spektroskopisi ve jel nüfuz Kromatografi (GPC) ile analiz edin.
9. Bu prosedürü tekrar izleyin, ancak 0,5 g PCL-PMMA, 1,406 g DMA, 2,0 ml dioksan ve 111 μL 10 mg.ml^-1 AIBN dioksan ile. Polimerizasyonu 1 saat 70 °C ‘ de ısıtın ve reaksiyon karışımından soğuk dietil eter üç kez çökeltir.

6. Self-nüklasyon, tohum üretimi ve yaşayan kristalizasyon odaklı kendi kendine montaj

1. Yer 5,0 bir şişeye triblock kopolimer mg ve etanol 1,0 mL ekleyin. 3 h için 70 °C ‘ de kapak ve Parafilm ve ısı ile şişeyi mühürleyin.
2. Yavaşça oda sıcaklığına soğutmak için şişe bırakın. İki hafta boyunca oda sıcaklığında yaş için çözüm bırakın. Çözüm bulutlu dönecek ve tam olarak monte edildiğinde altta ayrı bir katman oluşturacak.
3. 5,0 mg.mL^-1 dağılım 1,0 mg.ml^-1seyreltin.
4. Bir sonikasyon geçirmez tüp ve yer bir buz banyosunda dispersiyon yerleştirin.
5. Dağılımının orta alanına sonication prob ucunu yerleştirin.
6. Bir sonraki döngüden önce 15 dakika soğutmak için izin, en düşük yoğunlukta 2 dakika on beş döngü için çözüm sonikat.
7. 1,0 mg.ml^-1 Seed dispersiyonu ve 0,18 mg.ml^-1için seyreltik bir kısım alın.
8. 25 mg.mL^-1‘ de THF ‘de unimer çözümünü hazırlayın. 32,8 μL ‘ye tohum dağılımına ekleyin ve tam çözünmesine izin vermek için yavaşça sallayın.
9. THF Buharlık böylece kapağı biraz Aralık ile üç gün için yaş için dağılım bırakın. Başlangıç tohumları 90 nm uzunluğunda ise bu 500 mil uzunluğunda silindir üretecek.

Representative Results

Discussion

Triblock kopolimer PCL₅₀-PMMA₁₀-pdma₂₀₀ sentezi ve yaşayan CDSA özetlenmiştir. Sıkı koşullar gerekli olmasına rağmen, ε-caprolakton halka açma polimerizasyon MMA ve DMA başarılı zincir uzantıları etkin mükemmel özellikleri ile polimerler verdi. Bu polimerler kendi kendi tohumlarında başarılı, L_N 98 nm tohum parçacıkları içine sonicated silindirik micelles, saf bir faz elde. Unimer basit ilavesi ile, 495 nm ‘ye kadar ortalama uzunlukları olan silindirler kontrollü bir şekilde üretilmektedir. Bir triblock terpolimer bu durumda bir diblock kopolimer üzerinde kullanılır. Bu silindir suya transfer edildiğinde parçalanma sorunları üstesinden gelir. Daha önce bir yüksek cam geçiş sıcaklığı ile stabilize kısa bloğun birleştirilmesine silindirlerin kırması engelleyebilir bildirilmiştir.

Ancak, protokollerden sapma, CDSA uygulamaları için uygun olmayan polimerlere neden olabilir. Örneğin, bir monomer Başlatıcı/Catalyst çözümü, ROP tersi değil eklenmesi gereken çok önemlidir. Bu, tüm başlatma olaylarının aynı zaman penceresi içinde gerçekleşmesini ve düşük bir dispersiyonlar polimerinin elde edilmesini sağlar. Etkili reaktif kurutma prosedürlerinin, halka açma polimerizasyonu başarısına göre önemi sürekli olarak bu yazıda özetlenmiştir.

RAFT polimerizasyonu ile karşılaşılan yaygın tuzaklar da vardır. Zaman tek başına dönüşüm yargılamak polimerizasyon yanlış dereceye neden olacaktır. Faktörler çok sayıda kinetik gün farklı neden olabilir (pompa vakum, Headspace hacmi ve örneğin Başlatıcı saflık). Böylece, belirli dönüşümler için nişan aldığınızda, polimerizasyon boyunca ¹H NMR spektroskopisi tarafından izlenir. Çökelmeler,% 20 ‘ si polimer veya daha az içeren çözümlerle yapılmalıdır, aksi takdirde arıtma etkili değildir. Basit olsa da, kendi kendine montaj protokolünde küçük değişiklikler örneklerinde büyük ölçüde bütünlük kaybına neden olabilir. Örneğin, unimer solüsyonun hacmi çok yüksek ise, THF kristalin çekirdeğini plastikleştirebilir ve geometri gibi bir plakaya faz değişikliği yapabilir. Unimer çözeltisi (> 100 mg.mL^-1) veya tohum dispersiyonu (> 5 mg.ml^-1) konsantrasyonları çok yüksekse, benzer eserler gözlenebilir.

Bu yazıda, CDSA bağlamında çeşitli polimerizasyon tekniklerinin protokolleri ve nüansları vurgulanmıştır, bu da başkalarının sonuçları yeniden oluşturabilmeleri ve araştırmaya bu heyecan verici alana devam edebileceği umuduyla. Bu yöntemlerin diğer, uygulama odaklı fikirlere çevirisi, hem yazarlar hem de bilimsel toplum için büyük önem taşımaktadır.

Materials

2,2'-azobisisobutyrnitrile	Sigma Aldrich
250 mL ampoule
250 mL two neck RBF
Ampoule (25 mL)
B19 tap
B24 stopper
Basic Alumina	Fluka
Buchner Flask
Buchner Funnel
Caclium Hydride
Cannulae
caprolactone	Arcos Organics
Chain Transfer Agent	Made in House
Conical Flask (multiple sizes)
Dessicator
Diethyl Ether	Merck
Dioxane	Fisher
diphenylphosphate	Sigma Aldrich
Distillation Condenser
Ethanol	Fisher
Filter Paper (multiple sizes)
Gel Permeation Chrmoatography Instrument	Agilent Technologies Infinity 1260 II		Running DMF at 50 °C
Glovebox	Mbraun, Unilab
Hotplate	IKA, RCT basic
Mercury Thermometer
Methyl Methacrylate	Sigma Aldrich
Molecular seives	Fisher	MS/1030/53
N,N-dimethyl acrylamide	Sigma Aldrich
NMR spectrometer	Bruker 400 MHz
Phosphorus pentoxide	Sigma Aldrich
RBF (multiple sizes)
Schlenk Cap (B24)
Schlenk Flask (250 mL)
Schlenk Line
Sonication Probe	Bandelin Sonoplus
Suba Seal (multiple sizes)
TEM grids	EmResolutions, Formvar/carbon film 300 mesh copper
THF	Merck
three neck adaptor
Toluene	Fisher
Transmission Electron Microscope	Jeol 2100