توليف سطحي من المذيلات تشبه دودة من الضوء المرئي وساطة التشتت البلمرة عن طريق Photoredox محفز
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
وقد جرت العادة على إنجاز تركيب nonspherical (وغيرها) الأشكال التضاريسية جسيمات متناهية الصغر باستخدام إجراء التجميع الذاتي متعددة الخطوات بدءا من التوليف وتنقية diblock محددة جيدا محبة للجهتين (أو multiblock) بوليمرات. كانت شعبية واحدة من تقنيات التجميع الذاتي الأكثر شيوعا التي كتبها أيزنبرغ في 1990s، وينطوي على حل كتلة كوبوليمر محبة للجهتين في مذيب المشترك لكلا كتل البوليمر تليها إضافة بطء وانتقائية مذيب للواحدة من الكتل 1-3 . كما يتم إضافة مذيب انتقائي (عادة المياه)، والبوليمرات كتلة يخضع التجميع الذاتي لتشكيل النانوية البوليمرية. يتم تحديد التشكل النهائي (أو خليط من الأشكال التضاريسية) من الجسيمات النانوية من قبل عدد كبير من العوامل مثل أطوال النسبية لكل كتلة البوليمر، ومعدل إضافة الماء وطبيعة المذيب المشترك. ومع ذلك، فإن هذا النهج عموما يسمح فقط لإنتاج nanoparجسيمات في منخفض نسبيا محتوى المواد الصلبة (أقل من 1٪ بالوزن) وذلك يحد من قابلية العملية (4). وبالإضافة إلى ذلك، وتشكيل استنساخه من مراحل "وسيطة" مثل المذيلات تشبه دودة يمكن أن يكون صعبا نظرا لنطاق ضيق من المعلمات المطلوبة لتحقيق الاستقرار في هذا التشكل nonspherical 5.
النهج التي يسببها البلمرة التجميع الذاتي (PISA) يعالج جزئيا عيوب النهج أيزنبرغ من خلال الاستفادة من عملية البلمرة نفسها لدفع التجميع الذاتي في الموقع والسماح لتخليق جسيمات متناهية الصغر محتوى المواد الصلبة أعلى من ذلك بكثير (عادة 10-30٪ بالوزن) 6 -8. في نهج PISA نموذجي، يتم استخدام عملية البلمرة الذين يعيشون في سلسلة تمديد macroinitiator المذيبات القابلة للذوبان (أو الكلي CTA) مع مونومر الذي هو قابل للذوبان في البداية في وسط التفاعل ولكن يشكل البوليمر غير قابلة للذوبان. وقد استخدم النهج PISA لتجميع المذيلات تشبه دودة من خلال اختبار منهجي عدد من السابق المعلمات perimental واستخدام مخططات المرحلة مفصلة بمثابة "خارطة الطريق" الاصطناعية 5،9.
وعلى الرغم من تأليفهم صعبة، وهناك اهتمام كبير في النانوية مثل دودة نظرا لخصائص مثيرة للاهتمام النسبية لنظرائهم كروية. على سبيل المثال، لقد أثبتنا أن المخدرات تحميل المذيلات قصيرة وطويلة تشبه دودة تصنيعه باستخدام نهج PISA لها أعلى بكثير في السمية الخلوية المختبر مقارنة المذيلات كروية أو حويصلات 10. وأظهرت دراسات أخرى وجود علاقة بين نسبة جسيمات متناهية الصغر جانبا والدم وقت الدورة الدموية في الجسم الحي في نماذج 11. وأظهرت دراسات أخرى أن تركيب الجسيمات النانوية مثل دودة باستخدام منهجية PISA المناسبة ينتج مادة هلامية العيانية نظرا لتشابك النانو من خيوط جسيمات متناهية الصغر. وقد أثبتت هذه المواد الهلامية المحتملين المواد الهلامية تعقيمها بسبب thermoreversible السلوك سول الجل 12.
ontent "> ويصف هذا البروتوكول وسيلة تسمح للفي الموقع رصد تشكيل المذيلات تشبه دودة ببساطة عن طريق مراقبة اللزوجة حل خلال البلمرة. وقد أظهرت دراسات سابقة من المواد الهلامية micellar مماثلة مثل الدودة التي فوق درجة الحرارة الحرجة، هذه النانوية الخضوع لعكسها انتقال دودة المجال وذلك تشكل التفرق التدفق الحر في درجات حرارة مرتفعة. وحتى الآن، هذه النظم تستخدم مركب آزو حساسة حراريا لبدء البلمرة تسيطر 13،14 وحتى دبق قد لا يمكن ملاحظتها بسهولة في هذه الأنظمة خلال البلمرة الحرارية. ومن هذه الدراسات، كان الافتراض بأن تجميع الجسيمات النانوية PISA المستمدة في درجات الحرارة المنخفضة قد تسمح لرصد هذا السلوك دبق في الموقع.ابلغنا مؤخرا استخدام تقنية درجة حرارة الغرفة بلمرة ضوئية المنشأ السطحية للتوسط في عملية PISA لانتاج جسيمات نانوية منالأشكال التضاريسية مختلفة 15. هنا، يتم تقديم بروتوكول تصور لتركيب استنساخه من المذيلات تشبه دودة من خلال مراقبة سلوك اللزوجة حل خلال البلمرة. عائدات تشتت البلمرة بسهولة باستخدام الثنائيات الباعثة للضوء المتاحة تجاريا (المصابيح) (λ = 460 نانومتر، 0.7 ميغاواط / سم 2).
Protocol
Representative Results
Discussion
يوضح هذا البروتوكول تصور القدرة على رصد تشكيل المذيلات تشبه دودة ببساطة من خلال مراقبة ظهور سلوك مثل هلام. فائدة هذا النهج تكمن في القدرة على رصد تشكيل دودة خلال البلمرة بالمقارنة مع الطرق الأخرى. ويمكن تنفيذ هذا الإجراء باستخدام البلمرة من خطوتين اثنين من أحادية ال?…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- 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).
