Elektroaktiv polymer Nanopartiklar som uppvisar fototermisk Egenskaper
Summary
A protocol is presented for the synthesis and preparation of nanoparticles consisting of electroactive polymers.
Abstract
A method for the synthesis of electroactive polymers is demonstrated, starting with the synthesis of extended conjugation monomers using a three-step process that finishes with Negishi coupling. Negishi coupling is a cross-coupling process in which a chemical precursor is first lithiated, followed by transmetallation with ZnCl2. The resultant organozinc compound can be coupled to a dibrominated aromatic precursor to give the conjugated monomer. Polymer films can be prepared via electropolymerization of the monomer and characterized using cyclic voltammetry and ultraviolet-visible-near infrared (UV-Vis-NIR) spectroscopy. Nanoparticles (NPs) are prepared via emulsion polymerization of the monomer using a two-surfactant system to yield an aqueous dispersion of the polymer NPs. The NPs are characterized using dynamic light scattering, electron microscopy, and UV-Vis-NIR-spectroscopy. Cytocompatibility of NPs is investigated using the cell viability assay. Finally, the NP suspensions are irradiated with a NIR laser to determine their effectiveness as potential materials for photothermal therapy (PTT).
Introduction
Elektroaktiva polymerer ändra deras egenskaper (färg, konduktivitet, reaktivitet, volym, etc) i närvaro av ett elektriskt fält. Den snabba omkopplingstider, avstämbarhet, hållbarhet och lätta egenskaperna hos elektroaktiva polymerer har lett till många föreslagna program, däribland alternativ energi, sensorer, electrochromics och biomedicinska anordningar. Elektroaktiva polymerer är potentiellt användbara som flexibla, lätta batteri och kondensatorelektroder. 1 Tillämpningar av elektroaktiva polymerer i elektrokroma anordningar inkluderar bländning-reduktionssystem för byggnader och bilar, solglasögon, skyddsglasögon, optiska lagringsenheter, och smarta textilier. 2-5 Smarta fönster kan minska energibehovet genom att blockera specifika våglängder av ljus on-demand och skydda interiörer av bostäder och bilar. Smarta textilier kan användas i kläder för att skydda mot UV-strålning. 6 elektroaktiva polymerer har also börjat användas i medicintekniska produkter. Bland elektroaktiva polymerer som används i biomedicinska anordningar, polypyrrol (PPy), polyanilin (PANI), och poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) är bland de vanligaste. Till exempel är dessa typer av polymerer som vanligtvis används som givare i biosensoranordningar 7 Tillämpningar inom terapeutisk tillförsel har också visat sig lovande.; studier har visat att frisättning av läkemedel och terapeutiska proteiner från enheter framställda av elektroaktiva polymerer. 8-12 På senare tid har elektroaktiva polymerer använts som läkemedel i fototermisk terapi. 13-15 i fototermiska behandlingen, måste fototermiska medel absorberar ljus inom en snar -Infraröd (NIR) region (~ 700-900 nm), även känd som terapeutiskt fönster, där ljuset har maximalt inträngningsdjup i vävnad, vanligtvis upp till 1 cm. 16,17 i detta område, biologiska kromoforer såsom hemoglobin , syresatt hemoglobin, lipider, och vatten har liten till ingenabsorbans, vilket möjliggör lätt att lätt penetrera. När fototermiska medel absorberar ljus i detta terapeutiska fönstret är photoenergy omvandlas till fototermisk energi.
Irvin och medarbetare har tidigare rapporterat alkoxisubstituerade bis-EDOT bensen monomerer som syntetiserades med hjälp av Negishi koppling. 18 Negishi kopplingen är en föredragen metod för kol-kolbindning bildning. Denna process har många fördelar, bland annat användningen av organiska intermediärer, som är mindre giftiga och tenderar att ha högre reaktivitet än andra metallorganiska föreningar som används. 19,20 organozinkföreningar är också kompatibla med ett brett utbud av funktionella grupper på organohalider. 20 I Negishi kopplingsreaktion, är en organohalogenid och organometall kopplad genom användning av en palladium (0) katalysator. 20 I arbetet som presenteras häri, är denna korskopplingsmetod användes i syntesen av 1,4-dialkoxi-2,5-bis ( 3,4-ethylenedioxythienyl) benzene (BEDOT-B (OR) 2) monomerer. Dessa monomerer kan sedan lätt polymeriseras elektrokemiskt eller kemiskt för att ge polymerer som är lovande kandidater för användning i biomedicinska tillämpningar.
Konventionella förfaranden för framställning av kolloidala polymera suspensioner i vattenhaltiga lösningar för biomedicinska tillämpningar innefattar typiskt upplösning av bulkpolymerer följt av Nanoprecipitation eller emulsionslösningsmedels indunstningstekniker. 21,22 För att producera NP av poly (BEDOT-B (OR) 2) , en nedifrån och upp visas här där de nationella parlamenten syntetiseras via di situ emulsionspolymerisation. Emulsionspolymerisation är en process som är skalbar och är en relativt snabb metod för NP beredning. 22 Studier med användning av emulsionspolymerisation för framställning av NP av andra elektroaktiva polymerer har rapporterats för PPy och PEDOT. 15,23,24 PEDOT NP, t.ex. har upprättats enligt sprutemulsions polymerization. 24 Denna metod är svår att reproducera, och vanligtvis ger större, mikrometerstora partiklar. Protokollet beskrivs i denna artikel utforskar användandet av en drop-ultraljudsbehandling metod för att reproducerbart framställa 100 nm polymer NP.
I detta protokoll, elektroaktiva polymerer anpassade för att absorbera ljus i NIR regionen liknar tidigare rapporterade poly (BEDOT-B (OR) 2) syntetiseras och kännetecknas för att visa sin potential i elektrokroma anordningar och som PTT agenter. Först protokoll för syntes av monomererna via Negishi koppling beskrivs. Monomererna karakteriseras med användning av NMR-och UV-VIS-NIR-spektroskopi. Framställningen av NP kolloid suspensioner via oxidativ emulsionspolymerisation i vatten media beskrivs också. Förfarandet är baserat på en två-stegs emulsionspolymerisation process tidigare beskrivits av Han et al., Som appliceras på de olika monomerer. En två-tensidsystem äranvänds för att styra NP monodispersitet. En cellviabiliteten analys används för att utvärdera cytocompatibility av de nationella parlamenten. Slutligen, är potentialen hos dessa nationella parlamenten att agera som PTT givare demonstreras genom bestrålning med en NIR laser.
Protocol
Representative Results
Discussion
I detta arbete har elektroaktiva polymer NP syntetiserats som potentiella PTT medel för cancerbehandling. Framställningen av de nationella parlamenten beskrivs börjar med syntesen av monomerer följt av emulsionspolymerisation. Medan framställningen av NP som använder elektroaktiva polymerer såsom EDOT och pyrrol har beskrivits tidigare, beskriver detta dokument framställningen av polymera NP börjar med unika förlängda konjugeringstekniker monomerer, vilket visar att denna process kan utvidgas till större kom…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete har finansierats delvis av Texas Emerging Technology Fund (start till TB), Texas State University Research Enhancement Program, Texas State University Doctoral Research Fellowship (TC), NSF partnerskap för forskning och utbildning inom material (PREM, DMR-1205670), Welch Foundation (AI-0045) och National Institutes of Health (R01CA032132).
Materials
| 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 oC |
| 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 oC |
| 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 175o | |
| Zinc chloride (1 M) ZnCl2 | Acros | 370057000 |
Riferimenti
- Irvin, J., Irvin, D., & Stenger-Smith, J. Electrically active polymers for use in batteries and supercapacitors. Handbook of Conducting Polymers. (2007).
- Amb, C. M., Dyer, A. L., & Reynolds, J. R. Navigating the color palette of solution-processable electrochromic polymers. Chemistry of Materials. 23 (3), 397-415 (2011).
- Beaujuge, P. M., & Reynolds, J. R. Color control in pi-conjugated organic polymers for use in electrochromic devices. Chemical Reviews. 110 (1), 268-320 (2010).
- Ananthakrishnan, N., Padmanaban, G., Ramakrishnan, S., & Reynolds, J. R. Tuning polymer light-emitting device emission colors in ternary blends composed of conjugated and nonconjugated polymers. Macromolecules. 38 (18), 7660-7669 (2005).
- Zhu, Y., Otley, M. T., et al. Neutral color tuning of polymer electrochromic devices using an organic dye. Chemical Communications (Cambridge, England). 50 (60), 8167-70 (2014).
- Kline, W. M., Lorenzini, R. G., & Sotzing, G. A. A review of organic electrochromic fabric devices. Coloration Technology. 130 (2), 73-80 (2014).
- Gerard, M., Chaubey, A., & Malhotra, B. D. Application of conducting polymer to biosensors. Biosensors & Bioeletronics. 17, 345-359 (2002).
- Abidian, M. R., Kim, D.-H., & Martin, D. C. Conducting-polymer nanotubes for controlled drug release. Advanced materials. 18 (4), 405-409 (2006).
- Ge, D., Qi, R., et al. A self-powered and thermally-responsive drug delivery system based on conducting polymers. Electrochemistry Communications. 12 (8), 1087-1090 (2010).
- George, P. M., LaVan, D. A., Burdick, J. A., Chen, C.-Y., Liang, E., & Langer, R. Electrically controlled drug delivery from biotin-doped conductive polypyrrole. Advanced Materials. 18 (5), 577-581 (2006).
- Li, Y., Neoh, K. G., & Kang, E. T. Controlled release of heparin from polypyrrole-poly(vinyl alcohol) assembly by electrical stimulation. Journal of biomedical materials research. Part A. 73 (2), 171-81 (2005).
- Svirskis, D., Travas-Sejdic, J., Rodgers, A., & Garg, S. Electrochemically controlled drug delivery based on intrinsically conducting polymers. Journal of controlled release: official journal of the Controlled Release Society. 146 (1), 6-15 (2010).
- Cheng, L., Yang, K., Chen, Q., & Liu, Z. Organic stealth nanoparticles for highly effective in vivo near-infrared photothermal therapy of cancer. ACS Nano. 6 (6), 5605-13 (2012).
- Chougule, M. A. Synthesis and characterization of polypyrrole (PPy) thin films. Soft Nanoscience Letters. 01 (01), 6-10 (2011).
- Yang, K., Xu, H., Cheng, L., Sun, C., Wang, J., & Liu, Z. In vitro and in vivo near-infrared photothermal therapy of cancer using polypyrrole organic nanoparticles. Advanced materials. 24 (41), 5586-92 (2012).
- Diniz, S. N., Sosnik, A., Mu, H., & Valduga, C. J. Nanobiotechnology. BioMed research international. 2013 (2013).
- Weissleder, R. A Clearer Vision for in vivo Imaging. Nature Biotechnology. (2001).
- Irvin, J., & Reynolds, J. Low-oxidation-potential conducting polymer: alternating substituted para-phenylene and 3,4-ethylenedioxythiophene repeat units. Polymer. 39 (11), 2339-2347 (1998).
- Yang, Y., Oldenhius, N., & Buchwald, S. Mild and general condition for Negishi cross-coupling enabled by the use of palladacycle percatalysts. Angew Chem. 29 (6), 997-1003 (2012).
- Negishi, E., Hu, Q., Huang, Z., Qian, M., & Wang, G. The Negishi Coupling: an update: Enantiopure sulfoxides and sulfinamides. New products from Aldrich R & D. Aldrichchimica Acta. 38 (3) (2005).
- Bilati, U., Allémann, E., & Doelker, E. Development of a nanoprecipitation method intended for the entrapment of hydrophilic drugs into nanoparticles. European Journal of Pharmaceutical Sciences. 24 (1), 67-75 (2005).
- Nagavarma, B. V. N., Yadav, H. K. S., Ayaz, A., Vasudha, L. S., & Shivakumar, H. G. Different techniques for preparation of polymeric nanopaticles-A review. Asian Journal of Pharaceutical and Clinical Research. 5 (3), 16-23 (2012).
- Vaitkuviene, A., Kaseta, V., et al. Evaluation of cytotoxicity of polypyrrole nanoparticles synthesized by oxidative polymerization. Journal of Hazardous Materials. 250-251, 167-174 (2013).
- Han, Y. K., Yih, J. N., et al. Facile synthesis of aqueous-dispersible nano-PEDOT:PSS-co-MA core/shell colloids through spray emulsion polymerization. Macromolecular Chemistry and Physics. 212 (4), 361-366 (2011).
- Winkel, K. L., Carberry, J. R., & Irvin, J. A. Synthesis and electropolymerization of 3,5-bis-(3,4-ethylenedioxythien-2-yl)-4,4-dimethyl isopyrazole: A donor-acceptor-donor monomer. Journal of the Electrochemical Society. 160 (8), G111-G116 (2013).
- Hoye, T., Eklov, B., & Voloshin, M. No-D NMR spectroscopy as a convenient method for titering. Organic Letters. 6 (15), 2567-2570 (2004).
- Umezawa, K., Oshima, T., Yoshizawa-Fujita, M., Takeoka, Y., & Rikukawa, M. Synthesis of hydrophilic-hydrophobic block copolymer ionomers based on polyphenylenes. ACS Macro Letters. 1 (8), 969-972 (2012).
- Tao, Z., Fan, H., Zhou, J., & Jin, Q. Conjugated polyelectrolyte with pendant caboxylate groups: synthesis, photophysics, and pH responses in the presence of surfactants. Journal of Polymer Science Part A-Polymer Chemistry. 46 (3), 830-843 (2008).
- Winkel, K. L., Carberry, J. R., et al. Donor-acceptor-donor polymers utilizing pyrimidine-based acceptors. Reactive & Functional Polymers. 83, 113-122 (2014).
- Kròl, E., & Scheffers, D.-J. FtsZ polymerization assays: simple protocols and considerations. Journal of Visualized Experiments : JoVE. (81), e50844 (2013).
- Zolnik, B., Potter, T. M., & Stern, S. T. Zeta potential measurement. Methods in Molecular Biology. 697, 173-179 (2011).
- Nogi, K., Naito, M., & Yokoyama, T. Nanoparticle technology handbook. Elsevier: (2012).
- Pattani, V. P., & Tunnell, J. W. Nanoparticle-mediated photothermal therapy: A comparative study of heating for different particle types. Lasers in Surgery and Medicine. 44 (8), 675-684 (2012).
- Subianto, S., Will, G. D., & Kokot, S. Templated electropolymerization of pyrrole in a capillary. Journal of Polymer Science, Part A: Polymer Chemistry. 41 (12), 1867-1869 (2003).
- Sgouras, D., & Duncan, R. Methods for the evaluation of biocompatibility of soluble synthetic polymers which have potential for biomedical use: use of the tetrazolium-based colorimetric assay (MTT) as a preliminary screen for evaluation of in vitro cytotoxicity. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 1 (2), 61-68 (1990).
- Ahmadian, S., Barar, J., Saei, A. A., Fakhree, M. A. A., & Omidi, Y. Cellular toxicity of nanogenomedicine in MCF-7 cell line: MTT assay. Journal of Visualized Experiments : JoVE. (26) (2009).
- Huang, X., Kang, B., et al. Comparative study of photothermolysis of cancer cells with nuclear-targeted or cytoplasm-targeted gold nanospheres: continuous wave or pulsed lasers. Journal of Biomedical Optics. 15 (5), 058002 (2015).
