Facile Синтез червеобразных мицелл с помощью видимого света опосредованного дисперсионной полимеризации с использованием Photoredox Catalyst
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
Синтез несферических (и других) наночастицами морфологией традиционно осуществляется с использованием многоэтапную процедуру самосборки, начиная с синтеза и очистки хорошо выраженной амфифильного диблок (или мультиблоком) сополимеров. Одним из наиболее распространенных методов самосборки популяризировал Eisenberg в 1990 – е годы , и включает растворение амфифильного блок – сополимера в общем растворителе для обоих полимерных блоков с последующим медленным добавлением селективного растворителя для одного из блоков 1-3 , По мере добавления селективного растворителя (обычно воды), блок-сополимер подвергается самосборки с образованием полимерных наночастиц. Конечная морфология (или смеси морфологией) наночастиц определяются большим количеством факторов, таких как относительные длины каждого полимерного блока, скорости добавления воды и природы общего растворителя. Тем не менее, этот подход, как правило позволяет только для производства nanoparцами при относительно низком содержании твердых веществ (менее 1% по весу) , и таким образом ограничивает его практическую масштабируемость 4. Кроме того, воспроизводимые формирование "промежуточных" фаз , таких как червеобразных мицелл может быть затруднена из – за узкого диапазона параметров , необходимых для стабилизации этого несфериче- морфологию 5.
(ПИЗА) подход полимеризации индуцированной самосборки частично устраняет недостатки известного подхода Eisenberg путем использования процесса полимеризации себя вести самосборки на месте позволяет синтеза наночастиц при значительно более высоким содержанием твердых веществ ( как правило , 10-30 мас%) 6 -8. В типичном ПМОУ подходе процесс живой полимеризации используется для цепи удлинить растворимый в растворителе макроинициатор (или макро-CTA) с мономером, который первоначально растворима в реакционной среде, но образует нерастворимый полимер. Подход PISA был использован для синтеза червеобразные мицеллы путем систематического тестирования ряд бывших риментальные параметры и используя подробные фазовые диаграммы как синтетический "дорожной карты". 5,9
Несмотря на сложный синтез, есть большой интерес к наночастицами червеобразных из-за их интересных свойств относительно их сферических аналогов. Например, мы показали , что наполненные лекарством короткие и длинные червеобразные мицеллы , синтезированные с использованием подхода ПИЗА имеют значительно выше в пробирке цитотоксичность по сравнению с сферические мицеллы или везикулы 10. Другие показали корреляцию между соотношением сторон и наночастицами время циркуляции крови в моделях естественных условиях 11. Другие показали, что синтез наночастиц червеобразных с использованием соответствующей методики PISA дает макроскопический гель из-за наноразмерного запутыв- наночастицами нитей. Эти гели демонстрируют потенциал как стерилизуемых гелей вследствие их термообратимом поведения золь-гель 12.
ontent "> Этот протокол описывает метод , позволяющий непосредственно в космическом мониторинге формирования червеобразных мицелл путем простого наблюдения вязкости раствора в процессе полимеризации. Предыдущие исследования подобных червеобразных мицеллярных гелей показали , что выше критической температуры, эти наночастицы подвергаются обратимый переход червячный сфера и поэтому образуют сыпучие дисперсии при повышенных температурах. на сегодняшний день эти системы используют термочувствительного азосоединения для инициирования полимеризации контролируемой 13,14 и поэтому гелеобразование не могут быть легко наблюдать в этих системах при термической полимеризации. на основании этих исследований было высказано предположение , что синтез наночастиц , полученных ПИЗА при более низких температурах , может позволить наблюдение такого поведения гелеобразования на месте.Недавно мы сообщали, использование легкому техники при комнатной температуре фотополимеризации посредничать процесс PISA с получением наночастицразличные морфологию 15. Здесь, визуализируется протокол представлен для воспроизводимого синтеза червеобразных мицелл, наблюдая за поведением вязкости раствора в процессе полимеризации. Полимеризация протекает дисперсия легко , используя коммерчески доступные светодиоды (LED) (λ = 460 нм, 0,7 мВт / см 2).
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол визуализированы демонстрирует способность контролировать образование червеобразных мицелл, просто наблюдая начало гелеобразной поведения. Полезность этого подхода заключается в способности контролировать образование червя во время полимеризации по сравнению с друг…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
CB is thankful for his Future Fellowship from Australian Research Council (ARC-FT12010096) and UNSW Australia.
Materials
| 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 (40-60oC) | 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) | 2L 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 |
Referencias
- Yu, Y., Eisenberg, A. Control of Morphology through Polymer−Solvent Interactions in Crew-Cut Aggregates of Amphiphilic Block Copolymers. J. Am. Chem. Soc. 119 (35), 8383-8384 (1997).
- Zhang, L., Eisenberg, A. Thermodynamic vs Kinetic Aspects in the Formation and Morphological Transitions of Crew-Cut Aggregates Produced by Self-Assembly of Polystyrene-b-poly(acrylic acid) Block Copolymers in Dilute Solution. Macromolecules. 32 (7), 2239-2249 (1999).
- Zhang, L., Eisenberg, A. Multiple Morphologies of ‘Crew-Cut’ Aggregates of Polystyrene-b-poly(acrylic acid) Block Copolymers. Science. 268 (5218), 1728-1731 (1995).
- Yu, K., Zhang, L., Eisenberg, A. Novel Morphologies of "Crew-Cut" Aggregates of Amphiphilic Diblock Copolymers in Dilute Solution. Langmuir. 12 (25), 5980-5984 (1996).
- Blanazs, A., Ryan, A. J., Armes, S. P. Predictive Phase Diagrams for RAFT Aqueous Dispersion Polymerization: Effect of Block Copolymer Composition, Molecular Weight, and Copolymer Concentration. Macromolecules. 45 (12), 5099-5107 (2012).
- Ladmiral, V., Semsarilar, M., Canton, I., Armes, S. P. Polymerization-induced self-assembly of galactose-functionalized biocompatible diblock copolymers for intracellular delivery. J. Am. Chem. Soc. 135 (36), 13574-13581 (2013).
- Sugihara, S., Blanazs, A., Armes, S. P., Ryan, A. J., Lewis, A. L. Aqueous Dispersion Polymerization: A New Paradigm for in Situ Block Copolymer Self-Assembly in Concentrated Solution. J. Am. Chem. Soc. 133 (39), 15707-15713 (2011).
- Wan, W. M., Hong, C. Y., Pan, C. Y. One-pot synthesis of nanomaterials via RAFT polymerization induced self-assembly and morphology transition. Chem. Comm. (39), 5883-5885 (2009).
- Semsarilar, M., Jones, E. R., Blanazs, A., Armes, S. P. Efficient Synthesis of Sterically-Stabilized Nano-Objects via RAFT Dispersion Polymerization of Benzyl Methacrylate in Alcoholic Media. Adv. Mater. 24 (25), 3378-3382 (2012).
- Karagoz, B., et al. Polymerization-Induced Self-Assembly (PISA) – control over the morphology of nanoparticles for drug delivery applications. Polym. Chem. 5 (2), 350-355 (2014).
- Geng, Y., et al. Shape effects of filaments versus spherical particles in flow and drug delivery. Nat Nano. 2 (4), 249-255 (2007).
- Blanazs, A., et al. Sterilizable gels from thermoresponsive block copolymer worms. J. Am. Chem. Soc. 134 (23), 9741-9748 (2012).
- Pei, Y., Thurairajah, L., Sugita, O. R., Lowe, A. B. RAFT Dispersion Polymerization in Nonpolar Media: Polymerization of 3-Phenylpropyl Methacrylate in n-Tetradecane with Poly(stearyl methacrylate) Homopolymers as Macro Chain Transfer Agents. Macromolecules. 48 (1), 236-244 (2015).
- Fielding, L. A., Lane, J. A., Derry, M. J., Mykhaylyk, O. O., Armes, S. P. Thermo-responsive Diblock Copolymer Worm Gels in Non-polar Solvents. J. Am. Chem. Soc. 136 (15), 5790-5798 (2014).
- Yeow, J., Xu, J., Boyer, C. Polymerization-Induced Self-Assembly Using Visible Light Mediated Photoinduced Electron Transfer-Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer Polymerization. ACS Macro Lett. 4 (9), 984-990 (2015).
- Xu, J., Jung, K., Corrigan, N. A., Boyer, C. Aqueous photoinduced living/controlled polymerization: tailoring for bioconjugation. Chem. Sci. 5 (9), 3568-3575 (2014).
- Pei, Y., et al. RAFT dispersion polymerization of 3-phenylpropyl methacrylate with poly[2-(dimethylamino)ethyl methacrylate] macro-CTAs in ethanol and associated thermoreversible polymorphism. Soft Matter. 10 (31), 5787-5796 (2014).
