电活性聚合物纳米粒子参展光热特性

1Materials Science, Engineering, and Commercialization Program, Texas State University, 2Department of Chemistry and Biochemistry, Texas State University, 3Department of Biomedical Engineering, The University of Texas at Austin
Published 1/08/2016
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Engineering

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Cantu, T., Rodier, B., Iszard, Z., Kilian, A., Pattani, V., Walsh, K., et al. Electroactive Polymer Nanoparticles Exhibiting Photothermal Properties. J. Vis. Exp. (107), e53631, doi:10.3791/53631 (2016).

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Abstract

Introduction

电活性聚合物在电场的存在下改变它们的属性(颜色,导电性,反应性, 体积等)。的快速切换时间,可调谐性,耐久性和电活性聚合物的重量轻的特性,导致许多提出的应用,包括可替代能源,传感器,电致变色,和生物医学器件。电活性聚合物是灵活,重量轻的电池和电容器的电极可能是有用的。1应用电活性聚合物的电致变色器件包括炫光系统用于建筑物和汽车,太阳镜,保护眼镜,光学存储 ​​设备,和智能纺织品。2-5智能窗可以通过阻止光点播的特定波长,保护家庭和汽车的内部降低能源需求。智能纺织品可以在服装被用来帮助防止紫外线辐射。6电活性聚合物有ALSö开始在医疗设备中使用。间在生物医学装置中使用电活性聚合物,聚吡咯(聚吡咯),聚苯胺(PANI),和聚(3,4-亚乙基)(PEDOT)是最常见的。例如,这些类型的聚合物通常用作在生物传感器装置的换能器7的应用在治疗递送也显示出前景。研究已经证实的药物和治疗性蛋白质的释放从电活性聚合物制备装置。8-12最近,电活性聚合物已经用作在光热疗法的治疗剂。13-15在光热疗法,光热剂必须吸收光,在不久的-红外(NIR)区域(〜700-900纳米),也被称为治疗窗,其中光具有穿透组织的最大深度,典型地高达1厘米。16,17在此范围内,生物生色团如血红蛋白,氧化血红蛋白,脂质和水几乎没有到没有吸收,使光线容易渗透。当光热剂吸收光在此治疗窗,所述光能转换为光热能量。

欧文和同事以前曾报道烷氧基取代的合成使用Negishi偶联该被双-苯EDOT单体。18 Negishi偶联为碳-碳键形成的优选方法。这个过程有许多优点,包括使用有机锌中间体,它们是毒性较低并趋向于具有更高的反应性比使用其它有机金属化合物。19,20有机锌化合物也与在有机卤化物一个宽范围的官能团相容。20在 Negishi偶联反应,有机卤化物和有机金属是通过使用钯(0)催化剂的耦合。20在这里所提出的工作,这种交叉偶联方法是利用在1,4-二烷氧基-2,5-二合成( 3,4- ethylenedioxythienyl)benzeね(BEDOT-B(OR)2)的单体。这些单体然后可以很容易地聚合电化学或化学产生是有希望的候选用于生物医学应用中使用的聚合物。

常规方法制备的在生物医学应用水溶液胶体聚合物悬浮液通常包括本体聚合物,接着纳米沉淀或乳液溶剂蒸发技术。21,22为了生产聚纳米粒溶解(BEDOT-B(OR)2) ,自底向上的方法在这里展示,其中纳米颗粒通过原位乳液聚合合成。乳液聚合是一个过程,是易于扩展,并且是相对快速的方法制备的NP。使用乳液聚合以产生其他电活性聚合物的纳米颗粒22的研究已报道了聚吡咯和PEDOT。15,23,24 PEDOT纳米颗粒,例如,使用喷雾乳液p与编制olymerization 24这种方法是难以再现,并通常产生较大的,微米尺寸的颗粒。在这篇文章中所描述的协议探讨采用了下拉式超声法可重复制作100纳米的聚合物纳米颗粒。

在这个协议中,电活性聚合物适合吸收光在近红外区域类似于先前报道的聚(BEDOT-B(OR)2) 合成和表征证明在电致变色器件和作为PTT代理他们的潜力。首先,该协议用于经由Negishi偶联单体的合成进行说明。使用NMR和紫外 - 可见 - 近红外光谱的单体的特征在于。的NP胶体悬浮液通过氧化乳液聚合在水性介质中制备还描述。该程序是基于先前由Han等被施加到不同的单体描述的两步乳液聚合法。两表面活性剂体系用来控制对NP的单分散性。一个细胞活力测定是用来评估纳米颗粒的细胞相容性。最后,这些纳米粒子作为PTT换能器的电势被证明通过用近红外激光照射。

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Protocol

注意:使用前请咨询所有相关的安全数据表(SDS)。几个在这些合成中使用的试剂的有潜在危害。请使用一切适当的安全措施,包括个人防护设备(防护眼镜,手套,实验室外套,长裤和封闭趾鞋),并在通风橱进行合成。锂化是特别危险的,只能由经过适当培训个体的监督下进行。

1.单体合成

注意: 图1示出了用于前体和单体在节1.2中描述其合成的制备化学路线- 1.5。

  1. 材料
    1. 净化EDOT如前所述。25
    2. 重结晶从乙酸乙酯四丁基高氯酸铵(TBAP),并在真空下干燥24小时。滴定正丁基锂(正丁基锂,2.5M在己烷中)所描述的Hoye
    3. 干燥硫酸镁和碳酸盐在100℃下为在使用前24小时,钾。使用本协议中使用的所有其他化学品的接收。
  2. 1,4- Dialkoxybenzenes合成
    注意: 图1A显示了使用1-溴己烷-1,4- dihexyloxybenzene的制备。
    1. 装备一个烘箱干燥的三颈圆底烧瓶用隔膜,氩气入口管接头,并装有连接到鼓泡气体出口适配器的冷凝器。密封之前添加搅拌棒的烧瓶中。
    2. 入口适配器连接到在Schlenk线使用聚(氯乙烯)(PVC)管和吹扫的圆底烧瓶用氩气。
    3. 添加12.5克氢醌(113.5毫摩尔)的圆底烧瓶中并溶解在其20毫升无水四氢呋喃(THF),同时搅拌。
    4. 另外,将溶解氢氧化钾14克(250毫摩尔)在30ml乙醇中的单颈圆底烧瓶中并搅拌至溶解。
    5. 一旦溶解后,将KOH溶液慢慢添加到使用注射器的三颈圆底烧瓶中。允许该混合物搅拌1小时。
    6. 1小时后,添加250毫摩尔的1-溴代烷到反应混合物中。
    7. 在氩气搅拌下加热回流反应混合物24小时。
    8. 24小时后,使反应混合物冷却至RT,并加入15个ml的去离子水和10毫升二氯甲烷中。
    9. 将混合物转移到分液漏斗。隔离有机层,用10毫升去离子水冲洗三次。
    10. 干燥有机层用15克MgSO 4干燥的15分钟。
    11. 经由真空过滤通过滤纸除去硫酸镁
    12. 除去从滤过的溶液中使用旋转蒸发器将溶剂在50℃和21千帕,得到1,4-二烷氧基苯,为粗白色固体。
    13. 通过添加刚好足够热乙醇重结晶粗产物溶解产物。一旦溶解,放置在冰浴中以诱导结晶。
    14. 通过滤纸收集经真空过滤晶体并用冷的乙醇。
    15. 干燥在真空下结晶24小时,在RT和它们在氩气下存储直至进一步使用。这个过程产生1,4- dihexyloxybenzene。
    16. 使用熔点 1 H 13 C NMR光谱法表征产物。27
  3. 含1,4- Dialkoxybenzenes酯部分合成
    注意: 图1B示出了使用2-乙基-4-溴丁1,4-二烷氧基苯的制备化学路线。
    1. 装备一个烘箱干燥的三颈圆底烧瓶用隔膜,氩气入口管接头,并装有连接到鼓泡玻璃出口适配器的冷凝器。密封之前添加搅拌棒的烧瓶中。
    2. 进口适配器连接到使用PVC管材的舒伦克线和清除氩气。
    3. 权衡1.88克的KI(93.5毫摩尔)和15.69克 K 2 CO 3(93.3毫摩尔),并加入到圆底烧瓶中。
    4. 加无水N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中25个ml和搅拌,直到盐溶解。
    5. 一旦溶解,加入氢醌2.5克(18.7毫摩尔)到反应混合物中,并允许反应搅拌至溶解。
    6. 当所有固体溶解后,加46.8烷基bromoalkanoate毫摩尔;加热回流该反应混合物在氩气下24小时,在连续搅拌下。
    7. 从热除去反应混合物中,并使其冷却至室温。
    8. 将反应混合物转移到分液漏斗,并添加水(20ml)和乙酸乙酯(20毫升),萃取有机层。隔离有机层,洗涤三次,用水(20毫升)。
    9. 干燥有机层用15克MgSO 4干燥的15分钟。干燥后,通过通富达真空过滤除去硫酸镁从混合物之三纸。
    10. 使用旋转蒸发器在100℃和21千帕除去溶剂。干燥在真空下在室温O / N的粗产物。
    11. 通过添加刚好足够热乙醇以溶解所有固体重结晶的产物。一旦溶解,冷却在冰瓶,并允许晶体形成。通过真空过滤收集产物并用冷乙醇。
    12. 干燥真空下的晶体在室温放置24小时,并在氩气下存储直至进一步使用。此过程产生1,4-双(乙基丁)苯。
    13. 使用熔点 1 H 13 C NMR光谱法表征产物。28
  4. 1,4-二烷氧基-2,5- dibromobenzenes合成
    注:1,4-二烷氧基-2,5- dibromobenzenes制备的化学路线于图1A和1B。
    1. 适合的干燥三颈圆底烧瓶用氩气入口,盖有一个恒压加料漏斗玻璃塞或隔膜,并连接到塑料管装有一个倒置的玻璃漏斗悬挂在1M的NaOH溶液的出口。
    2. 在该圆底烧瓶中,溶解于二氯甲烷218毫摩尔1,4-二烷氧基苯(15毫升)中。
    3. 另外,将添加12个ml的溴2(598毫摩尔)于250毫升烧瓶中并用二氯甲烷稀释(12ml)中。
    4. 传送溴2 /二氯甲烷溶液,以恒压加料漏斗。添加溴2溶液滴加到三颈圆底烧瓶中在氩气下搅拌下2小时的跨度。
    5. 加入完成后,使反应搅拌O / N下的连续氩气流。
    6. 淬灭反应,加入去离子水(20毫升)中,并将混合物倒入分液漏斗中。
    7. 隔离有机层,洗涤三次用DI水(20毫升)。干燥有机层用15克MgSO 4干燥的15分钟。
    8. 通过移除硫酸镁通过滤纸真空过滤,并取出使用旋转蒸发器将溶剂在75℃和21千帕。
    9. 通过添加刚好足够热乙醇以溶解所有固体纯化粗1,4-二烷氧基-2,5-二溴苯。一旦溶解,冷却在冰瓶,并允许晶体形成。通过真空过滤收集产物并用冷乙醇。
    10. 干燥在真空下在室温O / N纯化产品;在氩气中保存。
    11. 使用熔点 1 H 13 C NMR光谱法表征产物。27,28
  5. 1,4-二烷氧基-2,5- dibromobenzenes与3,4-亚乙二Negishi偶联(EDOT)
    注意: 图1C显示的1,4-二烷氧基-2,5- dibromobenzenes与EDOT的Negishi偶联,以形成单体M1和M2。
    1. 适合一个干净的三颈圆底烧瓶用隔膜,装上连接到氩入口流动控制适配器的冷凝器,和一个气体出口流动CON控制适配器连接到鼓泡。
    2. 连接口适配器使用厚壁PVC管材的舒伦克线。开始流动的氩气到反应烧瓶中几分钟。
    3. 使用本生灯,火焰干燥装置在真空下,以确保无空气环境净化用氩气三次。
    4. 称量1.07的克纯化的EDOT的(10毫摩尔)和使用通过隔膜插入注射器添加到反应烧瓶中。稀释用无水THF(20ml)中的EDOT和氩气下搅拌。
    5. 寒意使用干冰/丙酮浴中15分钟,在-78℃下含EDOT溶液的​​烧瓶中。
    6. 15分钟后,慢慢地在己烷溶液逐滴添加11毫摩尔正丁基锂,​​同时保持温度在-78℃。搅拌在-78℃反应1小时。
      注意:正丁基锂的确切浓度应通过按照第1.1节在使用前滴定来确定。
    7. 1小时搅拌后,除去干冰/丙酮巴日。
    8. 立即除去浴后,加入14.13毫升的1.0M 氯化锌溶液滴入。使反应进行1小时,在室温下同时搅拌。
    9. 1小时搅拌后,加4毫摩尔1,4-二烷氧基-2,5-二溴苯和0.08四毫摩尔(三苯膦)钯(0)​​到反应混合物中的。
    10. 加热回流的油浴中,将反应混合物(70℃)。
    11. 使用薄层色谱(TLC)跟踪反应进程:取反应混合物的小(0.2毫升)中的等分试样每天使用注射器和沉淀于2ml的1M HCl中。提取用2ml 氯仿 ,并当场在硅胶TLC板上提取物一起EDOT的溶液和appropriate1,4二烷氧基-2,5-二溴苯的斑点。洗脱用60:40乙酸乙酯:己烷。
    12. 当反应完成后,使反应混合物冷却至室温。淬火通过加入10ml的1M的HCl,然后加入二氯甲烷(20毫升)的反应。
    13. TRansfer到分液漏斗,并分离出有机层。
    14. 洗涤有机层用DI水直到洗涤水不再呈酸性。测试的洗涤水的用pH试纸的酸度。
    15. 干燥有机层用15克MgSO 4干燥,过滤,并使用旋转蒸发器在50℃和21千帕,得到粗扩展共轭单体(M1或M2),为黄橙色固体除去溶剂。
    16. 1乙醇:苯溶液M1或7:2己烷:苯为M2使用3的热溶液中重结晶粗产物。加入足够的热溶剂混合物以溶解固体。一旦溶解,冷却在冰瓶,并允许晶体形成。通过真空过滤收集产物并用冷乙醇。
    17. 干燥在真空下的产品24小时,在室温。在储存在氩气中的黑暗。
    18. 使用熔点 1 H 13 C NMR光谱法表征产物。18

  1. 电聚合
    1. 在50ml容量瓶中制备100mM的高氯酸四丁基铵(TBAP)电解质的无水乙腈(CH 3 CN)溶液。
    2. 在10ml的容量瓶中使用的100mM TBAP / CH 3 CN溶液作为稀释剂制备的10mM单体(M1或M2)的解决方案。
    3. 银线(伪参考电极)和铂标志(反电极)加入烘干的电化学电池。
    4. 插入一个新鲜抛光铂按钮(2毫米2直径)用作工作电极。确保按钮铂电极的底部不接触的电化学电池的底部。
    5. 填充有足够的单体电解液的电化学电池,以确保所有三个电极的前端浸没在溶液中。
    6. 轻轻氩气鼓泡通过浸渍在第一个针脱通气5分钟的溶液Ë解决方案。
    7. 针抬起2毫米的溶液上,并继续氩气流在整个实验保持在氩气毯在溶液中。
    8. 电极连接到恒电位仪和通过循环所施加的电位五次,在100毫伏/秒的扫描速率和-1.5 V和1.0 V之间的电位范围开始聚合
    9. 在这个过程中记录的电流输出,以产生循环伏安。
  2. 聚合物电化学
    1. 聚合物薄膜沉积在铂按钮工作电极后,从单体电解质溶液除去所有的电极,并与单体 - 自由电解质溶液(3毫升)中轻轻漂洗。
    2. 电极添加到一个干净的电化学电池,并添加足够的不含单体的电解质溶液,以确保所有三个电极的前端浸没在溶液中。
    3. 电极连接到恒电位仪。周期的应用潜力TWO次数以50毫伏/秒的扫描速率和-1.5 V和1.0 V之间的电位范围
    4. 重复此实验,在100,200,300,和400毫伏/秒。每个实验期间记录电流输出,以产生循环伏安。
  3. 适用于UV-VIS-NIR光谱学与光热研究准备电聚合膜的
    1. 如使用铟锡氧化物(ITO)涂覆的玻璃载片作为工作电极在上述第2.1节所述,此时制备聚合物膜。增长超过5个循环的聚合物膜在100毫伏/秒的扫描速率。
    2. 聚合物沉积后,从单体溶液去除电极和冲洗用乙腈(5毫升)中。
    3. 存储到光谱研究之前乙腈聚合物薄膜。

3. NP准备

图2示出了用于通过乳液聚合制备的NP的过程的示意图。

  1. 镨epare 1毫升溶液2%(重量/体积)聚(4-苯乙烯磺酸 - 共 - 马来酸)(PSS - 共 - MA)的水在玻璃小瓶。添加一个小的磁力搅拌棒的小瓶。这是水相。
  2. 制备100微升的氯仿16毫克/毫升的单体溶液在微量离心管中。
  3. 制备溶解0.03克十二烷基苯磺酸(DBSA)的在100微升单体溶液的有机溶液。使用自动旋涡混合器30-60分钟,以确保该溶液的均匀混合的有机溶液。
  4. 将有机相添加到水相滴10微升的部分,同时用磁搅拌棒搅拌直至将有机溶液的完整体积被使用。允许搅拌60秒,加入之间。
  5. 加入2毫升水稀释该混合物。取下小瓶的搅拌棒。
  6. 使用探针超声波仪,总共20秒以10秒的间隔在30%的振幅,同时浸渍超声处理所述乳液小瓶在冰浴中。
  7. 从冰浴中取出样品瓶,更换搅拌棒,并继续搅拌该乳液。
  8. 在水中加入3.8微升100毫克/毫升溶液的FeCl 3至单体乳液中。使聚合发生1小时,同时连续搅拌。该协议收益率的聚合物纳米颗粒稳定与PSS-CO-MA。
  9. 从搅拌板拆下NP悬挂和转移为7毫升离心管中。离心悬浮液在75600×g离心3分钟;回收上清液并丢弃沉淀。
  10. 透析上清液24小时使用100kDa的分子量截留(MWCO)的透析管。

4.聚合物薄膜和NP表征

注:通过紫外 - 可见 - 近红外光谱法表征聚合物薄膜和纳米颗粒,并采用动态光散射,Zeta电位分析和电子显微镜的纳米颗粒。

  1. 在紫外可见-N测定聚合物吸收的红外光谱29
    1. NP混悬剂:转移悬浮液到一个石英比色皿和获取来自300的频谱 - 1000毫微米为5纳米的扫描间隔。
    2. 氧化聚合物膜:将涂有聚合物的ITO玻璃滑道转移到石英比色皿和填充无水乙腈的试管中。加入2滴的100mg / ml的溶液的FeCl 3 CHCl 3中的乙腈,混合,以保证该聚合物膜被完全氧化。获取来自300的频谱 - 1000毫微米为5纳米的扫描间隔。
    3. 减少的聚合物膜:将涂有聚合物的ITO玻璃滑道转移到一个试管和填充无水乙腈的试管中。加入一滴肼向液体并混合,以保证该聚合物膜被充分降低。获取来自300的频谱 - 1000毫微米为5纳米的扫描间隔。
  2. 的NP量的测定采用动态光散射(DLS)30
    1. 打开DLS仪器,并允许它预热15分钟。
    2. 稀释的NP悬浮在水中的0.01毫克/毫升,并装在一次性聚苯乙烯试管的浓度。
    3. 将试管中的阅读器,并开始测量。
  3. 的NP Zeta电位测定31
    1. 打开的ζ电位仪,并允许它预热30分钟。
    2. 由800微升10毫米氯化钾溶液稀释200微升NP暂停准备样品。
    3. 填写一次性聚苯乙烯比色皿700微升样品。
    4. 插入的ζ电位电极细胞到样品,确保没有气泡在电极之间或在激光光路捕获。
    5. 插入在仪器中的反应杯,并按照软件指令用于运行测量。
  4. 的NP量的测定使用扫描电子显微镜(SEM)32
    1. 落投10微升的NP悬浮在硅晶片和晾干。
    2. 溅射涂层干燥后的纳米颗粒与铱2纳米。
    3. 图像以5mm的工作距离和在5kV的样品。

5.调查的纳米颗粒的细胞相容性

注意:所有的细胞的操作应在生物安全柜(层流罩),以防止细胞与细菌,酵母或真菌从环境的污染,并保护用户免受潜在感染性疾病进行。与细胞中使用的所有溶液和用品应是无菌的。使用适当的无菌细胞培养技术。

  1. 培养的SKOV-3卵巢癌细胞在T75瓶,在37℃ CO 2培养箱(5%CO 2),使用Dulbecco氏改良的Eagle培养基(DMEM),补充有10%胎牛血清作为生长培养基。
  2. 种子细胞以5,000细胞的细胞密度/孔在96孔板中并孵育24小时,在37℃ CO 2
  3. 在即将使用前,稀的NP悬​​浮在整个范围内生长培养基以1mg / ml的浓度。
  4. 通过经过无菌0.2微米过滤器过滤的NP悬浮并稀释至所需的暴露浓度(2-500微克/毫升)与全生长培养基补充有1%青霉素/链霉素。
  5. 轻轻吹打除去从每个孔在96孔板的培养基并用100μl的NP混悬液替换在各种暴露浓度,或用100μl的NP的培养基为肯定和否定细胞相容性的控制。利用每个条件6重复孔。
  6. 紧接下一步骤之前,制备0.5mg / ml的溶液中的3-(4,5-二甲基吡啶-2-基)-2,5-二苯基溴化(MTT)的无酚红的DMEM。无菌过滤通过无菌0.2μm的过滤器的MTT溶液。
  7. 使纳米颗粒孵育与细胞的期望的时间段之后(TYpically 24或48小时),通过认真吸取了消除NP悬浮液。
  8. 立即更换视情况如下媒体:
    1. 对于阴性对照细胞相容性,添加100微升甲醇到每个6孔中,并允许坐在至少5分钟。甲醇处理后,更换用100μl的无菌过滤的0.5毫克/毫升的MTT溶液的甲醇中酚红的DMEM。
    2. 为阳性对照和NP处理的样品,替换用100μl的无菌过滤的0.5毫克/毫升的MTT溶液在无酚红的DMEM培养基中。
  9. 孵育细胞2至4小时在孵化器。孵育后,检查在显微镜下将细胞以检查甲臜晶体的形成。
  10. 小心通过移液除去MTT溶液,并用100μl的二甲基亚砜(DMSO)代替。
  11. 放置96孔板在振荡器上并混合几分钟,以鼓励的溶解为Mazan酒店结晶。
  12. 测量每个孔在59​​0nm(甲产物的峰吸光度)和700纳米(基线)的吸光度。
  13. 减去在从700纳米(基线)的样品的吸光度在590nm处为每个孔中。
  14. 由它由阳性对照的平均除以归一化校正吸光度,并转换为一个百分比乘以100。
  15. 确定平均百分存活率和标准偏差对每个条件。

6.光热转导研究

注意:在这项工作之前由北大和Tunell描述的激光系统是利用33

  1. NP悬浮液的光热转
    1. 在去离子水中稀释纳米粒子与感兴趣的浓度。
    2. 加入100μl的NP悬浮液至96孔板的孔中。将孔板上的热板上保持在25℃。
    3. 接通电源到激光,并允许它ŤØ预热几分钟。在这项研究中的光纤耦合808纳米激光二极管额定功率高达功率的1 W被使用。
    4. 路由通过光纤将激光束朝向样本台。使用凸透镜发散激光束到所需的光斑尺寸。
    5. 使用标准功率计测量输出功率,并调整到1W / cm 2的功率。
    6. 打开红外线照相机(InSb的红外照相机(FLIR系统SC4000)),并设置的感兴趣区(ROI)斑点区域读取6毫米点所在的激光聚焦的温度。
    7. 景点井在激光束的焦点。记录下样品的基线温度。打开激光器和连续照射井5分钟,同时记录的温度。
    8. 5分钟后,关闭激光,并继续下去,直到它冷却回到起始基线温度记录井的温度。
      注:加热和冷却每个悬挂三次,并计算随着时间的推移平均温度变化。使用的NP悬浮液DI水,在25℃,而不是作为阴性对照为光热转换。
  2. 聚合物薄膜的光热转
    1. 涂有聚合物的ITO玻璃载玻片转移至热板保持在25℃。
    2. 接通电源到激光并使其预热几分钟。在这项研究中的光纤耦合808纳米激光二极管额定功率高达功率的1 W被使用。
    3. 路由通过光纤将激光束朝向样本台。使用凸透镜发散激光束到所需的光斑尺寸。
    4. 使用标准功率计测量输出功率,并调整到1W / cm 2的功率。
    5. 打开红外线照相机(InSb的红外照相机(FLIR系统SC4000)),并设置的感兴趣区(ROI)斑点区域读取6毫米点所在的激光聚焦的温度。
    6. 将膜在激光束的焦点。记录的B数基线温度样品。打开激光器和连续照射样品5分钟,同时记录的温度。
    7. 5分钟后,关闭激光,并继续下去,直到它冷却回到起始基线温度记录试样的温度。
      注:加热和冷却每部电影三次,取其一段时间的平均温度变化。使用在25℃的裸露的ITO幻灯片作为阴性对照为光热转换。

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Representative Results

反应协议屈服M1和M2是 1中所示的单体可以表征通过 1 H 13 C核磁共振光谱,熔点,和元素分析。的1 H NMR谱提供了关于原子和它们的电子环境的连通性的信息;因此,它是经常使用,以验证反应已经成功完成。根岸偶联反应涉及苯环的EDOT的耦合,导致苯基质子峰转移从7.1 ppm到7.8 ppm的。噻吩质子也将转移到高场6.5 ppm的。上的亚乙二桥碳原子的四个质子将分成两组多重峰在4.3 ppm的。上的脂肪族碳原子的质子不会显著改变。的13 C NMR光谱将显示出的峰,在​​170,145,140和113为噻吩基碳,和150,120和112为亚苯基碳。阿里的位置寒暄碳不会显著改变。的化学结构,1 H NMR,和M2的13 C-NMR示于图3。

M2的Electropolymerizations得到聚合物(P2)和P2的循环伏安法显示于图4 图4A中,最初,没有电流响应。作为潜在的增大,M1单体(E 上,米 )的氧化的发作可以看出在+ 0.25伏,与单体的峰氧化(E P,M)在+ 0.61 V.在第一扫描中,观察到初始峰值是表示不可逆单体氧化,导致P2形成工作电极的表面上。在第二扫描两个氧化过程中观察到:单体氧化仍然认为在0.25 V和聚合物的氧化被认为是在0V循环P2的伏安法( 图4B)在扫描速率从50至4进行00毫伏/秒。的聚合物膜是在氧化状态暗蓝色和红​​色中的空档状态。聚合物循环在不同的扫描速率的显示扫描速率和峰值电流之间的线性关系,表明该聚合物是电和粘附到电极18的聚合物氧化(E A,P)在-0.02 V代表P2观察和聚合物减少(E C,P)在0.3 V时观察在100毫伏/秒的循环。

合成的纳米颗粒如图2和通过UV-Vis-NIR光谱,电子显微镜,和DLS表征。紫外-可见-近红外氧化和还原的P2膜和的,氧化的P2纳米粒子的光谱,示于图5中 。在氧化聚合物薄膜和纳米颗粒表现出吸收峰λ最大,为1.56电子伏特(795纳米)。当降低在肼,膜吸收峰移至2.3电子伏特(540 nm)的λ最大。聚合物带GAP(E )从在中性聚合物的π-π*跃迁的发生确定的,由黑色箭头图5中所指示的。

P2的NP在图6A的 SEM图像表明,该纳米颗粒的直径为球形和亚100纳米。 图6B中的DLS数据示出了Z-平均悬浮体是在直径为0.13的多分散性指数(PDI)104纳米,表示该样本被适度单分散的。在P2纳米颗粒的ζ电势被发现是-30.5毫伏。变化时,纳米粒子暴露于近红外辐射温度表明光热转换。与水相比对照,其经历不到1℃的温度增加,NP悬浮在水中能吸收的激光能量转换成热量就证明了这30℃增加的NP悬浮液温度图6C)。当在ITO玻璃的聚合物膜通过照射808纳米( 图6C)的类似的温度上升(28℃)观察到。

聚合物纳米颗粒的细胞相容性是采用MTT细胞活力检测来确定。细胞相容性研究的结果为PEDOT:PSS -共- MA纳米颗粒如图7所示,0.23至56微克/毫升的NP浓度范围内,所述纳米颗粒不降低细胞活力,以小于90%的控制。通常情况下,在低于20%(高达80%生存力)的细胞活力的减少被认为是可以接受的判定的NP细胞相容性的。

图1
图1.常规单体合成开始与前体的合成。1,4-二烷氧基-2,5-二溴苯(A)的合成。 ( )的合成含酯部分的1,4-二烷氧基-2,5-二溴苯。 (C)的1,4-二烷氧基-2,5-二溴苯与EDOT,产生单体M1和M2的交叉偶联反应。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2
图2.聚合方法,其中的有机溶液滴加到水溶液创建的乳液。将单体和有机溶剂可能会有所不同。当的FeCl 3被加入到乳液发生氧化聚合。之后,胶体悬浮液的净化,对纳米颗粒悬浮在水介质中。 请点击此处查看这是一个更大的版本数字。

图3
图3. NMR谱单体M2:(A)1 H NMR谱M2的其中亚乙二质子在4.32 ppm的分割,所述噻吩基质子的高场偏移,和苯基质子的高场偏移指示成功的偶合的。 (B)13 C核磁共振光谱M2的显示噻吩和苯碳峰。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4
4(A)M2到P2的电化学聚合;在0.01M的M2的100毫伏/秒五个周期在0.1M结核病AP / CH 3 CN。 (B)的聚合物薄膜在0.1M TBAP / CH 3 CN循环伏安法循环,在50,100,200,300,和400毫伏/秒。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5
图5. P2的紫外-可见-近红外光谱既作为膜和作为纳米粒的悬浮液。该氧化膜的光谱示于蓝色,减小的膜的光谱示于红色,且被氧化的频谱NP悬浮液显示为绿色。黑色箭头对应于用于测定聚合物的带隙的切线。峰值吸收波长是所提供的聚合物。 请点击此处查看这是一个更大的版本数字。

图6
6(A)SEM图像显示P2纳米粒子的形态和大小。 P2的(B)的粒度分布:PSS -共- MA NP悬浮其中的Z平均值为104纳米,PDI为0.13。 (C)一种 P2的温度变化:以1mg / ml的(蓝色)和膜(绿色)当与NIR光300秒辐照,接着被动冷却激光照射完成后的PSS -共- MA NP悬浮请这里查看该图的放大版本。

图7
图7.细胞相容性的PEDOT:PSS-CO-MA NP混悬液由MTT法测定生存能力示出了细胞暴露于不同纳米颗粒的浓度为相对于温育的细胞以NP的培养基(阳性对照)的平均百分比。阴性对照由细胞杀死接触甲醇之前MTT法。误差线代表重复的标准偏差(n = 6)。 请点击此处查看该图的放大版本。

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Discussion

在这项工作中,电活化聚合物纳米粒子已被合成作为潜在的PTT剂用于癌症治疗。该纳米颗粒的制备方法进行说明,首先,接着通过乳液聚合单体的合成。在使用电活性聚合物如EDOT和吡咯纳米颗粒的制备已经描述之前,阐述的聚合物纳米颗粒的制备方法起始与独特扩展共轭单体,这表明该方法可以扩展到更大,更复杂的单体。

两种不同的路线是必要的,合成的二烷氧基苯单体。而1,4- dihexyloxybenzene可以使用KOH / EtOH中来合成,该方法是不成功的1,4-双(乙基丁氧基)苯,最可能是由于碱促进的水解酯的合成。当KI / K 2 CO 3混合物时,水解被避免,并成功地获得的产物。机器人的溴化^ h dialkoxybenzenes使用溴2完成。有必要进行使氩置换的HBr在反应过程中形成的根据本实验。气体出口应该发泄完了中和NaOH溶液,以防止溴化氢的腐蚀罩灯具;注意,氢溴酸可能会导致塑料管硬化随着时间的推移。

合成使用Negishi偶联BEDOT-B(OR)2的单体M1和M2。这是一种有效的方法用于EDOT的碳-碳偶合与1,4-二烷氧基-2,5- dibromobenzenes得到BEDOT-B(OR)2的单体。关键的是要寒意EDOT到-78℃,然后加入正丁基锂的,以尽量减少不希望的副反应。当所有的1,4-二烷氧基-2,5-二溴苯从反应混合物贫化(使用TLC测定;这通常需要3-5天),反应就完成了。该反应是极其敏感的空气,和任何暴露于空气中,会影响该反应的产率。因此,当INTroducing固体化合物(如催化剂)进入密封烧瓶中,空气暴露应通过增加氩气流最小化。

电活性单体和聚合物的常规特征在于使用循环伏安法来确定单体和聚合物的氧化电位和聚合物还原电位,并且通过电化学聚合制备的薄膜被用来确定在UV-VIS-NIR光谱在两个氧化态和还原态的聚合物吸收。在这项工作中,聚合物膜沉积在两个铂按钮,并通过电聚合的ITO涂布的玻璃。一些电聚合的优点是再现性和通过监测聚合膜的当前和停止时的特定响应取得的电聚合,以控制膜厚度的能力34的电化学实验必须在惰性气氛下进行,如氩气。氩气流应以不这么慢扰乱溶液的表面,以确保扩散控制过程。可替代地,电化学实验可在惰性气氛干箱装有电化学馈电引线进行。重要的是,没有任何三个电极是电聚合过程中相互接触。与聚合物循环伏安法研究之前,沉积的聚合物薄膜,必须用不含单体的电解质溶液以从膜除去任何未反应单体。对于潜在的范围需要将依赖于单体/聚合物的结构中的所有电化学研究;所以这个范围可以用其他的单体和聚合物而变化。视的烷氧基取代基的结构中,所用的溶剂以制备单体电解质溶液也可以溶解该聚合物。在这种情况下,在电聚合在电极上的聚合物沉积将是缓慢的或根本不存在,和用于聚合的溶剂必须改变。

e_content“>乳液聚合用于制备纳米颗粒的电活性聚合物的组成是产生纳米粒具有均匀形态的一种有效的方法。在这项工作中,乳液聚合方法利用电化学聚合过程中所用的相同氧化聚合机制;主要不同之处在于一种化学氧化剂(三氯化铁)来代替施加电化学势。此乳液聚合,因此,产生纳米颗粒的化学成分,以通过电化学聚合制备的膜是相同的。虽然电化学聚合提供表征的氧化还原特性的一个浅显装置单体和聚合物,乳液聚合是一种快速,廉价,并且再现的方法,很容易可扩展的,并且可以潜在地以许多不同的电活性聚合物的使用。乳液聚合还使纳米粒子的制备方法,从具有在有机低溶解度的聚合物和水溶液,可能不能有效地从聚合物状态乳化。在我们的乳液聚合,将有机相由单体,有机溶剂(己烷),和十二烷基苯磺酸(表面活性剂)。水相由水,氯化铁(氧化剂),和PSS - 共 - MA(表面活性剂)。乳液聚合方法之前有一个声处理步骤,以确保有机相很好地分散在水相中。期间超声处理,有必要将其浸入乳剂在冰浴中,以防止散装加热。表面活性剂的PSS - 共 - MA和DBSA使合成纳米颗粒在水溶液中通过颗粒间的静电斥力的分散。这些表面活性剂也可作为额外电荷平衡的掺杂剂,并已被证明产生球形的NP几何24的聚合物纳米颗粒保留在氧化状态,(如由峰值吸收在795纳米; 图4)。,这是评论家人的生物医学应用,其中吸收在近红外范围是必要的。24

通常进行ζ电位分析来评估的NP悬浮液的稳定性。 ζ电位是在斯特恩层何处离子被强烈与NP表面相关联,并且扩散层何处离子不再与NP表面相互作用之间的边界处的电势。31 Zeta电位测量依靠带电纳米粒子的运动的电时场被施加到悬浮液中。具体地,带负电荷的纳米颗粒被朝向正极吸引,反之亦然。胶体悬浮液可以通过静电排斥来稳定。具体地,悬浮液被认为是稳定的,当他们的ζ电位大于+/- 30毫伏。在我们的制剂中的NP,磺酸酯和羧酸盐基的从DBSA和PSS - 共 - MA的存在下产生的纳米颗粒的负表面电荷。

日纯化ê纳米粒是为了除去过量的表面活性剂和前体外细胞研究中的任何未反应的原料的关键步骤。无效的表面活性剂去除可能导致显著的细胞死亡。对于任何其他的体外细胞测定法,它是重要的在层流罩的工作,并在无菌条件下工作。纳米粒子也应当通过使悬浮液通过无菌0.2μm的过滤器在使用前灭菌。同样重要的是无菌过滤后,以验证NP混悬剂的浓度。为了这个目的,已过滤的NP悬浮已知体积的一小部分可以被冷冻干燥,得到的干燥质量。所述MTT细胞活力测定法通常用于研究生物材料,包括纳米颗粒,对培养细胞的影响。这个简单的测定,可适应的NP混悬剂的相容性的任何哺乳动物细胞系进行调查。所述MTT法是基于四唑鎓黄色的转化染料成紫色,insol中uble甲结晶,然后可以溶解于DMSO或酸性醇溶液。35,36 的体外细胞试验,例如在多孔板的MTT细胞活力测定法进行时,在细胞接种和操纵一致性是非常重要的实现之间的最小的差异复制样本。之前和在实验过程中,将接种的细胞应在显微镜下进行检查,以确保一致的播种和生长,并且还以排除任何污染。最后,显微镜也可以使用加入DMSO后,确认甲晶体的完全溶解。

光热研究用连续激光在808纳米进行。利用连续主场迎战脉冲激光器可以采用不同材料进行加热。以前的研究已经比较光热转换和光热消融治疗的黄金纳米结构作为PTT剂,37但需要更多的研究来调查从聚合物1光热转换Ç纳米粒像本文中所描述的那些。在这项工作中,激光被分支为凸透镜和聚焦在一个6毫米的光斑尺寸。要小心运行试验时,为防止在焦平面意外改变,将引起光热转换结果的差异不干扰光学系统是非常重要的。热盘上用于地暖,并保持恒定的基准温度为研究对象。

最后,一​​个协议的NP制备电活性聚合物悬浮在水性介质中进行说明。 Negishi偶联是一种有效的方法,用于耦合1,4-二烷氧基-2,5- dibromobenzenes与3,4-亚乙基(EDOT)。单体的电化学是在这个协议的细节。这被证明是快速生产聚合物薄膜和研究它们的电子特性的有效方法。聚合物膜是使用紫外 - 可见 - 近红外光谱,以确定所述中性聚合物的带隙进一步表征。 Electrochemical乳液聚合收率亚100纳米纳米粒具有均匀球形形态。除了光热消融治疗,这些纳米粒子在电设备的许多潜在的应用,包括能源储存和传感器。进行热和细胞相容性研究表明,这些纳米粒子可以是在生物医学应用作为光热剂的潜在候选。

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Acknowledgements

这项工作是部分资金由得克萨斯州的新兴科技基金(启动到TB),德克萨斯州立大学的研究增强计划,得克萨斯州立大学博士研究奖学金(到TC),美国国家科学基金会合作研究和教育材料(PRE​​M, DMR-1205670),卫生韦尔奇基金会(AI-0045),和美国国家研究院​​(R01CA032132)。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
2 mm diameter platinum working electrode CH Instruments CH102 Polished using very fine sandpaper
3,4-ethylenedioxythiophene Sigma-Aldrich 483028 Purified by vacuum distillation
3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-Diphenyltetrazolium Bromide (MTT) 98% Alfa Aesar L11939
505 Sonic Dismembrator Fisher Scientific™  FB505110 1/8“ tip and rated at 500 watts
808 nm laser diode ThorLabs L808P1WJ Rated at 1 W
Acetonitrile anhydrous 99% Acros 61022-0010
Avanti J-26 XPI Beckman Coulter 393127
Bromohexane 98% MP Biomedicals 202323
Dialysis (100,000) MWCO SpectrumLabs G235071
Dimethyl sulfoxide 99% (DMSO) BDH BDH1115
Dimethylformamide anhydrous (DMF) 99% Acros 326870010
Dodecyl benzenesulfonate (DBSA)  TCI D0989
Dulbecco’s modified eagle medium (DMEM)  Corning 10-013 CV
EMS 150 TES sputter coater Electron Microscopy Sciences
Ethanol (EtOH) 100% BDH BDH1156
ethyl 4-bromobutyrate (98%) Acros 173551000
Ethyl acetate 99% Fisher UN1173
Fetal bovine serum (FBS) Corning 35-010-CV
Helios NanoLab 400 FEI
Hexane Fisher H306-4
Hydrochloric acid (HCl) Fisher A142-212
Hydroquinone 99.5% Acros 120915000
Hydrozine anhydrous 98% Sigma-Aldrich 215155
Indium tin oxide (ITO) coated galss Delta Technologies CG-41IN-CUV 4-8 Ω/sq
Iron chloride 97% FeCl3 Sigma-Aldrich 157740
Magnesium sulfate (MgSO4) Fisher 593295 Dried at 100 °C
SKOV-3 ATCC HTB-26
Methanol BDH BHD1135
n-Butlithium (2.5 M)  Sigma-Aldrich 230707 Pyrophoric
Poly(styrenesulfonate-co-malic acid) (PSS-co-MA) 20,000 MW Sigma-Aldrich 434566
Potassium carbonate Sigma-Aldrich 209619 Dried at 100 °C
Potassium hydroxide Alfa Aesar A18854
Potassium iodide Fisher P410-100
RO-5 stirplate IKA-Werke
SC4000 IR camera FLIR
Synergy H4 Hybrid Reader Biotek
Tetrabutylammonium perchlorate (TBAP) 99% Sigma-Aldrich 3579274 Purified by recrystallization in ethyl acetate
Tetrahydrofuran anhydrous (THF) 99% Sigma-Aldrich 401757
tetrakis(triphenylphosphine) palladium(0) Sigma-Aldrich 216666 Moisture sensitive
Thermomixer Eppendorf
USB potentiostat/galvanostat WaveNow AFTP1
Zetasizer Nano Zs Malvern Optical Arrangment 175°
Zinc chloride (1 M) ZnCl2 Acros 370057000

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