Method Article
This article describes a process for producing polymeric self-assembled nanoparticles using visible light mediated dispersion polymerization. Using low energy visible light to control the polymerization allows for the reproducible formation of self-assembled worm-like micelles at high solids content.
Presented herein is a protocol for the facile synthesis of worm-like micelles by visible light mediated dispersion polymerization. This approach begins with the synthesis of a hydrophilic poly(oligo(ethylene glycol) methyl ether methacrylate) (POEGMA) homopolymer using reversible addition-fragmentation chain-transfer (RAFT) polymerization. Under mild visible light irradiation (λ = 460 nm, 0.7 mW/cm2), this macro-chain transfer agent (macro-CTA) in the presence of a ruthenium based photoredox catalyst, Ru(bpy)3Cl2 can be chain extended with a second monomer to form a well-defined block copolymer in a process known as Photoinduced Electron Transfer RAFT (PET-RAFT). When PET-RAFT is used to chain extend POEGMA with benzyl methacrylate (BzMA) in ethanol (EtOH), polymeric nanoparticles with different morphologies are formed in situ according to a polymerization-induced self-assembly (PISA) mechanism. Self-assembly into nanoparticles presenting POEGMA chains at the corona and poly(benzyl methacrylate) (PBzMA) chains in the core occurs in situ due to the growing insolubility of the PBzMA block in ethanol. Interestingly, the formation of highly pure worm-like micelles can be readily monitored by observing the onset of a highly viscous gel in situ due to nanoparticle entanglements occurring during the polymerization. This process thereby allows for a more reproducible synthesis of worm-like micelles simply by monitoring the solution viscosity during the course of the polymerization. In addition, the light stimulus can be intermittently applied in an ON/OFF manner demonstrating temporal control over the nanoparticle morphology.
Küresel olmayan (ve diğer) nanoparçacık morfolojileri sentezi geleneksel iyi tanımlanmış amfifil diblok (veya çoklu) kopolimerlerin sentezi ve saflaştırılması ile başlayan bir çok aşamalı montajı çok prosedür kullanılarak gerçekleştirilmiştir. En yaygın montajı çok tekniklerinden biri 1990'larda Eisenberg ve popüler blok 1-3 biri için bir solveni içinde yavaş yavaş ilave edilmiştir, her iki polimer blokları için ortak bir çözücü içinde, amfifilik blok kopolimerin çözünmesini içerir edildi . seçici bir çözücü (tipik olarak su) ilave edilir olarak, blok kopolimerin polimerik nano partiküllerin oluşturulması için kendi kendine montaj maruz kalır. Nihai morfolojisi (veya morfolojileri karışımları) nanopartiküllerinin gibi her polimer bloğunun, su ilave oranının ve ortak çözücünün doğasına göreceli uzunluklar gibi faktörlerin büyük sayısına göre belirlenir. Bununla birlikte, bu yaklaşım, genellikle yalnızca nanopar üretimine olanak sağlarnispeten düşük katı içeriğine (en az 1 ağırlık% 'si) ticles ve bu pratik ölçeklenebilirlik 4 sınırlar. Buna ek olarak, bu tür solucan benzeri miseller olarak "orta" fazların tekrarlanabilir oluşumunun Küresel olmayan bir morfolojiye 5 stabilize etmek için gereken parametrelerin dar bir aralık nedeniyle zor olabilir.
Polimerizasyon kaynaklı montajı çok (PISA) yaklaşımı, kısmen nanopartikül sentezi için izin yerinde kendi kendine montaj sürücü polimerizasyon işlemi çok daha yüksek katı madde içeriğine kendisini kullanarak Eisenberg yaklaşımın dezavantajları ele (tipik olarak 10-30 ağırlık%) 6 -8. Tipik PISA yaklaşımda, canlı bir polimerizasyon işlemi, reaksiyon ortamı içinde, başlangıçta çözünebilir fakat çözünmez bir polimer oluşturan bir monomer ile bir çözücü çözünebilir makroinisiyatör (ya da makro-CTA) uzanan zincir için kullanılır. PISA yaklaşımı sistematik ex bir dizi test Sonsuz benzeri miseller sentezlemek için kullanılmıştır zenlenen parametreler ve sentetik "yol haritası" 5,9 olarak ayrıntılı faz diyagramlarını kullanarak.
onların zorlu sentez rağmen, nedeniyle küresel meslektaşları göre onların ilginç özellikleri solucan gibi nanopartiküller büyük ilgi var. Örneğin, bir PISA yaklaşımı kullanılarak sentez ilaç yüklü kısa ve uzun solucan gibi miseller küresel misellerin ya da 10 veziküller kıyasla in vitro sitotoksisite önemli ölçüde daha yüksek olduğunu göstermiştir. Diğerleri in vivo modellerde 11 nanoparçacık boy oranı ve kan dolaşımı zaman arasında bir ilişki olduğunu göstermiştir. Diğer uygun PISA metodolojisi kullanılarak solucan gibi nanopartiküllerin sentezi nedeniyle nanopartikül filamanların nano ölçekli dolanması için makroskopik jel verir göstermiştir. Bu jeller termik olarak kendi sol-jel davranışı 12 bağlı sterilize jeller gibi potansiyel göstermiştir.
"ontent> Bu protokol, basit olarak polimerizasyon sırasında çözelti viskozitesine gözlemleyerek solucan gibi misellerin oluşumu yerinde izlenmesi için izin veren bir yöntemi tarif etmektedir. Benzer solucan gibi misel jellerin önceki çalışmalar bu kritik sıcaklığının üstünde, bu göstermiştir nanotanecikler geri solucan küre geçiş geçmesi ve bu nedenle yüksek sıcaklıklarda serbest akan dispersiyonlar oluşturur. bugüne kadar, bu sistem jelasyon hali hazırda bu sistemlerde görülen olabilir 13,14 ve bu kontrollü bir polimerizasyonu başlatmak için, termal olarak hassas azo bileşiği kullanmışlardır termal polimerizasyon. Bu çalışmalardan sırasında, daha düşük sıcaklıklarda PISA türetilmiş nanopartıküllerin sentez, yerinde, bu jelasyon davranışı gözlem için izin verebilir olduğu varsayılmıştır.Son zamanlarda biz nanopartiküller elde etmek için PISA süreci aracılık etmek, basit bir oda sıcaklığı fotopolimerizasyon tekniğin kullanımını bildirdiFarklı morfolojileri 15. Burada, bir görsel protokol polimerizasyon esnasında çözelti viskozitesi davranışını gözleyerek solucan gibi misellerin tekrarlanabilir sentezi için sunulmuştur. Dispersiyon polimerizasyon ilerlerken hali hazırda ticari olarak temin edilebilen ışık yayıcı diyotlar (LED'ler) kullanan (λ = 460 nm, 0.7 mW / cm2).
1. Sentezi ve POEGMA Karakterizasyonu Makro-CTA
PISA kullanarak -PBzMA Nanopartiküller b POEGMA- 2. Hazırlık
Nanopartikül Morfoloji 3. Transmisyon Elektron Mikroskobu (TEM) Görüntüleme
Bu çalışmada, iki aşamalı polimerleştirme protokolü PISA yaklaşımı (Şekil 1) kullanılarak solucan gibi miseller sentezi için kullanılır. İlk adım olarak, OEGMA polimerizasyonu daha sonraki polimerizasyon aşamasında bir stabilize edici olarak kullanılabilecek bir POEGMA makro-CTA elde gerçekleştirilir. sonuçta nanoparçacık oluşumuna yol açar etanol PBzMA çözülemediği bağlı dispersiyon koşullar altında PET RAFT polimerleşme devam eder. Polimerizasyon sırasında, başlangıçta saydam reaksiyon karışımı, bir dağılım polimerizasyonu doğrultusunda bulutsu hale gelene gözlenebilir ve sonunda solucan gibi misellerin oluşumunu gösteren son derece viskoz bir jel benzeri duruma (Şekil 3) geçiş yapar. Bir "yaşam" polimerleşme Endikasyonları düşük polimer dispersities (Ð <1.3) ve moleküler ağırlık arasında iyi bir korelasyon ile (Şekil 1A) fark edilirsekiz monomer. Buna ek olarak, GPC (Şekil 1B) bir yüksek moleküler sonlandırma ve düşük molekül ağırlıklı atık bu sistemde gözlenmesine rağmen dönüşüm değişen ağırlıklı unimodal dağılımı göstermektedir. Önemli olarak, bu "ölü" polimer zincirlerinin, saf solucan gibi misellerin oluşumunu inhibe etmek için yeterli bir miktarda değildir. Dönüşüm arttıkça molekül ağırlığı dağılımının kaydırma zincir uzunlukları dar bir dağılımı ile -PBzMA diblok kopolimerlerin B POEGMA- baskın oluşumunu göstermektedir.
Şekil 2A, 1 metrelik bir ticari bir LED çıtasının (λ = 460 nm, 4.8 W / m) 2 L'lik bir kap içine sarıldığı bu deneyde kullanılan ışık reaktör setup göstermektedir. Deneylerde, aynı zamanda, benzer bir mavi ışık yoğunluğunun (Şekil 1B) bir ev tipi lamba PET RAFT P olarak da kullanılabileceği tespit edilmiştirISA süreci.
Şekil 4, solucan benzeri misel morfolojisi oluşumu gibi değişken flakon türleri ve reaktif bileşimler olarak değil, aynı zamanda ışık kaynağı aralıklı bir şekilde uygulandığı takdirde, aynı zamanda, farklı reaksiyon koşulları altında elde edilebilir olduğunu göstermektedir. Bu en fotopolimerizasyon sistemlerinde polimerizasyon oranlarını ışık girişi güçlü etkisi olmakla birlikte, PET RAFT PISA protokolünde jelasyon davranışı halen solucan benzeri misel oluşumu için güvenilir bir göstergesi olarak kullanılabileceğini ima eder. Tipik ex-situ TEM görüntüleme solucan benzeri misel oluşumunun kanıt sağlamak için gereklidir, çünkü bu önemli bir sonuçtur. Apart gözlenen jelleşme davranışından tamamen solucan benzeri misellerin oluşumu (uranil asetat boyama ile) TEM nanopartiküller (> 100) önemli miktarda morfolojisi gözlemleyerek teyit edilmelidir. Kısmi vezikül morfolojileri gözlenirseIşınlama süresi azaltılmalıdır; küresel miseller daha sonra gözlenmektedir tersine eğer ışınlama süresi biraz artırılmalıdır.
PET-RAFT, oturma fotopolimerizasyon tekniği kullanılarak solucan benzeri miseller sentezlemek için Şekil 1. Reaksiyon şeması. Bir PISA yaklaşım kullanarak solucan benzeri misellerin sentezi için (yukarıda) İki aşamalı bir yaklaşım. (Aşağıda) kinetik çalışma gösteren (A) PISA polimerizasyon sırasındaki moleküler ağırlık ve polimer dispersiteleri evrimi ve dönüşümle (B) jel sızdırma kromatografisi (GPC) molekül ağırlığı dağılımı evrimi. Ref 15 izniyle uyarlanmıştır. Telif Hakkı (2015) American Chemical Society. Daha büyük bir versio görmek için buraya tıklayınızBu rakamın n.
Şekil farklı görünür ışık reaktörlerin 2. Dijital fotoğrafları. (A) ile aynı hizadadır, bu çalışmada kullanılan dairesel reaktör şeritler LED (λ max = 460 nm, 0.7 mW / cm2). (B) de bu protokolde kullanılabilecek bir 5 W ampul ile donatılmış bir ev lambaları. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
15 saat sonra polimerizasyon önce PISA polimerizasyon. Görüntüler alınmıştır (A) aracılı PET-RAFT, (B) Şekil 3. Temsilcisi dijital fotoğraflars ve görünür ışık ışınlama 24 saat sonra (C). Polimerizasyon sırasında, başlangıçta şeffaf reaksiyon karışımı bulanıklaşır ve sonunda solucan benzeri miseller in situ oluşumu gösteren bir serbest duran jel durumuna geçiş yapar. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil -PBzMA diblok kopolimerler solucan gibi miseller elde PET-RAFT PISA yaklaşımı kullanılarak oluşturulur, b. POEGMA- 4. Karakterizasyonu ve TEM görüntüleri farklı polimerizasyon koşulları kullanılarak meydana solucan gibi miseller TEM görüntüleri (ve dijital fotoğraf parçaları). (A) ve (C) B (ise 24 saat boyunca aydınlatıldı10.000 g / mol POEGMA makro-BTA kullanırken)) jelleşme önce 39 saat (toplam ON / OFF ışınlama süresi gereklidir. Her iki durumda da, yüksek viskoziteli bir jel solucan gibi misellerin oluşumu için karakteristik olan oluşturulur. Ref 15 izniyle uyarlanmıştır. Telif Hakkı (2015) American Chemical Society. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Bu görsel iletişim kuralı, sadece jel benzeri davranış başlamasını gözlemleyerek solucan gibi misellerin oluşumunu izlemek için kabiliyetini gösterir. Bu yaklaşımın faydası, diğer yöntemlere göre polimerizasyon esnasında sonsuz oluşumunu izlemek için yatmaktadır. Bu prosedür, kendi kendine bir araya POEGMA- B -PBzMA amfifilik diblok kopolimerler elde etmek üzere, iki ticari olarak temin edilebilir monomerler (OEGMA ve BzMA) 'in bir, iki aşamalı polimerizasyonunun uygulandığı gerçekleştirilebilir.
Şekil 2'de kıyasla vb farklı reaktör geometrileri, ışık yoğunlukları, ile reaktörler biraz solucan benzeri misel jeller elde etmek için koşulları değişmiş gerektirebilir burada belirtmek gerekir. rutenyum bazlı katalizör emme özellikleri nedeniyle, polimerizasyon sadece saat görünür ışık altında makul bir oranda oluşabilir. Prensip olarak, farklı ışık emme özellikleri olan diğer katalizörler de kullanılabilir. Bakım çok uzun başka bir makroskopik parçacıklar oluşmaya başlayabilir reaktör içinde sonsuz jeller bırakmak için dikkat edilmelidir. nanopartiküller veziküler yapılar halinde yeniden girişiminde ama çok viskoz ortamda tarafından inhibe olarak oluşur. Polimerizasyon bir serbest duran jel benzeri devletinin ilk gözlem ötesinde reaktörde tutuldu Bazı durumlarda, biz TEM görüntüleme yoluyla kısmi veziküller (denizanası veya octopi yapıları) oluşumunu gözlemledik.
Bu teknolojinin erişilebilirliğini arttırmak için, bu protokolde bildirdi PET RADYE PISA polimerizasyonları dış sıcaklık regülasyonu (soğutma fanı, vb su banyosu) olmadan oda sıcaklığında yapıldı. Ayrıca, düşük voltajlı LED şeritleri polimerizasyon (en az 5 ° C) sırasında flakon sıcaklıklarda gözlenebilir artışlar üretemeyen. de, polimerizasyon oranı inh, sıcaklık kuvvetli bir bağımlılık olduğu bilinmektedir iken50 ° C'de polimerize bile makroskopik jel benzeri bir davranış uyarılması için solucan gibi miseller yeteneğinin ibition gözlenmemiştir.
(Ortalama) kısa solucan benzeri miseller Edinme reaksiyon ortamı, bir serbest duran devlet ulaştı ancak viskozite gözle görülür bir artış var önce ışık kaynağı kaldırarak da mümkündür. Bu yaklaşım, analiz için (yağışsız), bu "yumuşak" jellerin seyreltme beri uygun olabilir serbest duran jeller ile karşılaştırıldığında önemli ölçüde daha kolaydır. Benzer bir şekilde, küresel miseller daha da ışınlama süresi indirgenmesiyle elde edilebilir; tipik polimerizasyon sırasında bulanıklık ilk başlangıcından sonra.
Prensip olarak, farklı solvophillic monomerlerin bir aralık yerine OEGMA (örneğin, poli (2-hidroksietil metakrilat), poli (metakrilik asit) polimerizasyon kinetik ve montajı çok parametre ancak bazı optimizasyon kullanılabilirgerekli olacaktır. Makro-CTA homopolimerizasyonu yüksek bir Livingness sonraki PISA polimerizasyon verimliliği artırmak amacıyla gösterilmelidir. Bununla birlikte, uzun yeterince saf solucan gibi misel faz polimerizasyon sırasında var olduğu, jelleşme de oluşabilir. sunulmuştur yaklaşım programı farklı uzunlukta makro-CTA stabilize anlamlı solucan gibi miseller oluşturmak için prosedür reoptimize gerek kalmadan kullanılabilir gerçeğinde yatar. Bu protokolde, POEGMA makro-CTA ancak termal başlatılan RADYE protokolü kullanılarak sentezlendi, biz de homojen bir PET-RADYE protokolü 16 kullanılarak yüksek zincir sonu sadakat ile POEGMA oluşturmak için yeteneğini göstermişlerdir. BzMA yapısal olarak benzer monomerler solucan benzeri misel jeller 17 oluşturulması için rapor edilmiştir, ancak, monomerlerin sadece sınırlı sayıda Yie kontrollü radikal dispersiyon polimerizasyon mümkün olması muhtemeldirönemli jelleşme özellikleri ile ld solucan benzeri miseller.
(Reaksiyon şişesi geometrisi dahil olmak üzere) farklı reaktör kurulumları en fotopolimerizasyon sistemlerinde polimerizasyon oranlarını değiştirmek neden olsa da, görsel olarak yeteneği solucan benzeri miseller in situ oluşumu monitör, bir PET RAFT PISA yaklaşımı kullanarak bu sınırlamanın üstesinden gelmeye yardımcı olur. Bunun bir sonucu olarak, polimerizasyon süresi uygulanan kesin reaktör kurulum bağlı olarak değiştirilebilir. İyi solucan benzeri misel faz ancak katı içeriği> ağırlıkça% 10 de solucan gibi parçacıkları üretmek mümkün açıklanan yaklaşımı olarak, yüksek saflık ve verimde elde etmek zor olabilir bilinmektedir. Önemlisi, bu parçacıkların oluşumu oldukça solucan benzeri misel sentezi sadece polimerizasyonu söndürülmesi ve ex-situ TEM görüntüleme yaptıktan sonra teyit edilebilir sayede önceki raporlara göre polimerizasyon sırasında izlenebilir.
importantly, tekrarlanabilir yüksek katı madde içeriğine bu yüksek boy oranı nanopartiküller oluşturma yeteneği, özellikle ilaç dağıtım taşıyıcıları olarak biyolojik arenada bir dizi uygulamalar için önemli etkileri vardır. Bazı çalışmalar, örneğin sferik meslektaşları 11 ya da hücre-alım davranışı 10 farklı göre artmış bir kan dolaşımı zaman biyolojik ortamlarda küresel olmayan morfolojileri ilginç davranış göstermişlerdir. Bu parçacıklar etanolik çözelti içinde sentezlenir iken, daha önce uygun bir diyaliz koşullar altında, bu PISA nanopartiküllerin morfolojisi, sulu çözelti 10 muhafaza edilebileceğini göstermiştir. Bu yaklaşımın avantajı, ilk olarak, biyolojik çalışma için su içine diyaliz öncesi etanolik dispersiyon koşulları altında suda çözünürlüğü zayıf terapötik kapsülleyen yatmaktadır. Buna ek olarak, bu ince uzun parçacıklar, çeşitli hücre alımını Beh sergilemesi muhtemeldirnedeniyle virüs benzeri morfolojiye küresel yapılara Avior göreceli.
The authors have nothing to disclose.
CB is thankful for his Future Fellowship from Australian Research Council (ARC-FT12010096) and UNSW Australia.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
4-Cyano-4- (phenylcarbonothioylthio)pentanoic acid (CPADB) | Sigma-Aldrich | 722995-5G | |
Oligo(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (OEGMA) | Sigma-Aldrich | 447935-500ML | Average Mn 300, contains 100 ppm MEHQ as inhibitor, 300 ppm BHT as inhibitor |
2,2′-Azobis(2-methylpropionitrile) (AIBN) | Sigma-Aldrich | ||
Ru(bpy)3Cl2.6H2O | Sigma-Aldrich | 544981-1G | |
Benzyl methacrylate (BzMA) | Sigma-Aldrich | 409448-1L | Contains monomethyl ether hydroquinone as inhibitor |
Aluminium oxide (basic) | Chem-Supply Pty Ltd Australia | AL08371000 | |
95% Ethanol (EtOH) | Sucrogen Bio Ethanol | 80889 | |
Acetonitrile (MeCN) | Chem-Supply Pty Ltd Australia | RP1005-G2.5L | |
Tetrahydrofuran (THF) | Chem-Supply Pty Ltd Australia | TA011-2.5L | |
Petroleum Spirits (40-60 °C) | Chem-Supply Pty Ltd Australia | PA044-2.5L | |
Diethyl Ether | Chem-Supply Pty Ltd Australia | EA0362.5L | |
Dimethylacetamide (DMAc) | VWR International Australia | ALFA22916.M1 | For GPC analysis |
Pasteur pipettes (230 mm) | Labtek | 355.050.503 | |
Glass beakers | Labtek | 025.01.902 (2L)/ 2110654 (1L) | 2 L beaker is for attaching LED strips to form the circular reactor |
Commercial LED strip | EcoLab | n/a | λ = 460 nm, 4.8 W/m |
4 ml Glass Vials | Labtek | APC502214B | |
0.9 ml Quartz Cuvette | Starna Scientific Ltd | 21/Q/2 | |
Needle (0.8 mm x 38 mm) | Beckton Dickson | 302017 | For deoxygenating reactions |
Needle (0.8 mm x 120 mm) | B Braun Australia | 4665643 | For deoxygenating reactions |
Sleeve stopper septa (rubber septum) | Sigma-Aldrich | z564680/z564702 | |
Stirring hotplates | VWR International Australia/In Vitro Technologies | 97018-488/RADRR91200 | |
Vortex mixer | VWR International Australia | 412-0098 | |
Vacuum oven | In Vitro Technologies | MEMVO200 |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır