Síntesis Facile de micelas similares a gusanos de luz visible mediada por dispersión Polimerización con catalizador Photoredox
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
La síntesis de no esféricas (y otras) morfologías de nanopartículas tradicionalmente se ha logrado usando un procedimiento de auto-ensamblaje de varios pasos a partir de la síntesis y purificación de dibloque anfifílico bien definido (o multibloque) copolímeros. Una de las técnicas de autoensamblaje más comunes fue popularizado por Eisenberg en la década de 1990 e implica la disolución del copolímero de bloque anfífilo en un disolvente común para ambos bloques de polímero seguido de la lenta adición de un solvente selectivo para uno de los bloques 1-3 . A medida que se añade el disolvente selectivo (normalmente agua), el copolímero de bloque se somete a auto-ensamblaje para formar nanopartículas poliméricas. La morfología final (o mezclas de morfologías) de las nanopartículas son determinados por un gran número de factores tales como las longitudes relativas de cada bloque de polímero, velocidad de adición de agua y la naturaleza del disolvente común. Sin embargo, este enfoque general, sólo permite la producción de nanopartículos relativamente bajo contenido de sólidos (menos de 1% en peso) y por lo tanto limita su escalabilidad práctico 4. Además, la formación reproducible de las fases "intermedias", tales como micelas similares a gusanos puede ser difícil debido a la estrecha gama de parámetros necesarios para estabilizar esta morfología no esférica 5.
El enfoque de auto-ensamblaje de polimerización inducida (PISA) aborda parcialmente los inconvenientes del enfoque Eisenberg utilizando el proceso de polimerización en sí para conducir auto-ensamblaje in situ lo que permite la síntesis de nanopartículas en mucho más alto contenido de sólidos (típicamente 10 a 30% en peso) 6 -8. En un enfoque típico PISA, un proceso de polimerización viva se utiliza para extender la cadena un macroiniciador disolvente soluble (o macro-CTA) con un monómero que es inicialmente soluble en el medio de reacción, sino que forma un polímero insoluble. El enfoque de PISA se ha utilizado para sintetizar micelas similares a gusanos probando sistemáticamente una serie de ex parámetros experimentales y el uso de diagramas de fases detalladas como una "hoja de ruta" sintético 5,9.
A pesar de su síntesis reto, existe un gran interés en las nanopartículas similares a gusanos debido a sus propiedades interesantes en relación con sus homólogos esféricas. Por ejemplo, hemos demostrado que cargadas con fármaco micelas similares a gusanos cortos y largos sintetizados utilizando un enfoque de PISA tienen significativamente mayor es la citotoxicidad in vitro en comparación con micelas esféricas o vesículas 10. Otros han demostrado una correlación entre la relación de aspecto de nanopartículas y el tiempo de circulación de la sangre en modelos in vivo 11. Otros han demostrado que la síntesis de nanopartículas de gusano utilizando una metodología PISA apropiado produce un gel macroscópico debido a la nanoescala enredo de los filamentos de nanopartículas. Estos geles han demostrado potencial como geles esterilizables, debido a su comportamiento sol-gel termorreversible 12.
ONTENIDO "> Este protocolo describe un método que permite la supervisión in situ de la formación de micelas similares a gusanos por la simple observación de la viscosidad de la solución durante la polimerización. Los estudios previos de geles micelares similares a gusanos similares han demostrado que por encima de una temperatura crítica, estos nanopartículas experimentan una transición de gusano esfera reversible y así forman dispersiones de flujo libre a temperaturas elevadas. hasta la fecha, estos sistemas han utilizado un compuesto azo térmicamente sensible para iniciar la polimerización controlada 13,14 y así gelificación no se puede observar fácilmente en estos sistemas durante la polimerización térmica. a partir de estos estudios, se planteó la hipótesis de que la síntesis de nanopartículas PISA derivados a temperaturas más bajas puede permitir la observación de este comportamiento de gelificación in situ.Recientemente hemos informado de la utilización de una técnica de fotopolimerización temperatura ambiente fácil para mediar el proceso de PISA para producir nanopartículas de15 diferentes morfologías. Aquí, un protocolo visualizado se presenta para la síntesis reproducible de micelas similares a gusanos observando el comportamiento viscosidad de la solución durante la polimerización. El producto de polimerización de dispersión fácilmente usando diodos emisores de luz disponibles en el mercado (LEDs) (λ = 460 nm, 0,7 mW / cm 2).
Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo visualizado demuestra la capacidad de controlar la formación de micelas similares a gusanos simplemente mediante la observación de la aparición de un comportamiento similar a un gel. La utilidad de este enfoque radica en la capacidad de controlar la formación de gusano durante la polimerización en comparación con otros métodos. Este procedimiento se puede realizar usando una polimerización en dos etapas de dos monómeros disponibles comercialmente (OEGMA y BzMA) para producir b -PBzMA cop…
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
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