Facile Synthese van Worm-micellen door het zichtbare licht Mediated Dispersion polymerisatie onder toepassing van 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
De synthese van sferische (en andere) nanodeeltjes morfologieën Traditioneel wordt bewerkstelligd met behulp van een meerstaps zelfassemblage procedure begint met de synthese en zuivering van welbepaalde amfifiele diblokcopolymeren (of multiblok) copolymeren. Een van de meest voorkomende zelfassemblage technieken werd populair door Eisenberg in de jaren 1990 en omvat het oplossen van het amfifiele blokcopolymeer in een gemeenschappelijk oplosmiddel voor beide polymeerblokken gevolgd door de langzame toevoeging van een oplosmiddel dat selectief is voor één van de blokken 1-3 . Het selectieve oplosmiddel (meestal water) wordt toegevoegd, het blokcopolymeer ondergaat zelfassemblage polymere nanodeeltjes. De uiteindelijke morfologie (of mengsels van morfologieën) van de nanodeeltjes worden bepaald door een groot aantal factoren, zoals de relatieve lengtes van elk polymeerblok, snelheid van watertoevoeging en de aard van de gemeenschappelijke solvent. Deze benadering algemeen alleen maakt de productie van nanoparkelen bij relatief lage vastestofgehalte (minder dan 1 gew%) en dus beperkt de praktische schaalbaarheid 4. Bovendien kan de reproduceerbare vorming van "intermediaire" fasen zoals wormachtige micellen moeilijk zijn gezien de beperkte serie benodigd bij deze sferische morfologie 5 te stabiliseren.
De polymerisatie-geïnduceerde zelfassemblage (PISA) aanpak heeft gedeeltelijk de nadelen van de Eisenberg benadering door gebruikmaking van de polymerisatiewerkwijze zelf zelfassemblage rijden in situ waardoor nanodeeltjes synthese bij veel hogere vaste stofgehalte (kenmerkend 10-30 gew%) 6 -8. In een typische PISA benadering wordt een levende polymerisatie proces waarmee ketenverlenging oplosmiddel oplosbare macro-initiator (of macro-CTA) met een monomeer die aanvankelijk oplosbaar is in het reactiemedium, maar vormt een onoplosbaar polymeer. De PISA benadering is gebruikt om wormachtige micellen synthetiseren systematisch testen van een aantal ex perimental parameters en met behulp van gedetailleerde fasediagrammen als een synthetisch "roadmap" 5,9.
Ondanks hun moeilijke synthese, is er grote belangstelling wormachtige nanodeeltjes vanwege hun interessante eigenschappen ten opzichte van hun tegenhangers bolvormig. Zo hebben we aangetoond dat geneesmiddel beladen korte en lange wormachtige micellen gesynthetiseerd onder toepassing van een aanpak PISA significant hoger in vitro cytotoxiciteit vergeleken met sferische micellen of vesicles 10. Anderen hebben een correlatie tussen nanodeeltje aspect ratio en de bloedcirculatie tijd getoond in in vivo modellen 11. Anderen hebben aangetoond dat de synthese van wormachtige nanodeeltjes met een geschikt PISA methodologie levert een macroscopische gel door nanoschaal verstrengeling van de nanodeeltjes filamenten. Deze gels hebben potentieel als steriliseerbaar gels vanwege hun thermoreversibele sol-gel gedrag 12 getoond.
NHOUD "> Dit protocol beschrijft een werkwijze mogelijkheid van het in situ bewaking van de vorming van wormachtige micellen door simpelweg observeren van de oplossingsviscositeit tijdens de polymerisatie. Eerdere studies soortgelijke wormachtige micellaire gels hebben aangetoond dat boven een kritische temperatuur, deze nanodeeltjes ondergaan omkeerbare worm bol overgang en vormen zo vrijvloeiend dispersies bij verhoogde temperaturen. tot op heden zijn deze systemen een thermisch gevoelige azoverbinding de gecontroleerde polymerisatie 13,14 en dus geleren niet onmiddellijk kunnen worden waargenomen in deze systemen gebruikt leiden tijdens de thermische polymerisatie. uit deze studies werd verondersteld dat PISA synthese verkregen nanodeeltjes bij lagere temperaturen mogelijk maken waarnemingen van deze geleringsgedrag in situ.Meldde onlangs we het gebruik van een gemakkelijke kamertemperatuur fotopolymerisatie techniek om de PISA proces om nanodeeltjes verkregen mediërenverschillende morfologieën 15. Hier wordt een gevisualiseerd gepresenteerde protocol voor de reproduceerbare synthese van wormachtige micellen en houdt de oplossingsviscositeit gedrag tijdens de polymerisatie. De dispersiepolymerisatie direct plaatsheeft gebruikmaking van commercieel verkrijgbare lichtdiodes (LEDs) (λ = 460 nm, 0,7 mW / cm 2).
Protocol
Representative Results
Discussion
Deze gevisualiseerd protocol toont het vermogen om de vorming van micellen wormachtige controleren simpelweg door naar het begin van gel-achtig gedrag. De bruikbaarheid van deze aanpak ligt in het vermogen om de vorming worm tijdens de polymerisatie te controleren in vergelijking met andere methoden. Deze procedure kan worden uitgevoerd onder toepassing van een tweestaps polymerisatie van twee commercieel verkrijgbare monomeren (OEGMA en BzMA) zelf-geassembleerde POEGMA- b -PBzMA amfifiele diblokcopolymeren ver…
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).
