Einfache Synthese von wurmartigen Mizellen durch sichtbares Licht Mediated Dispersion Polymerisation mit Photoredox Katalysator
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
Die Synthese von nicht-sphärischen (und andere) Nanopartikels Morphologien traditionell erreicht worden mit der Synthese und Reinigung von gut definierten amphiphilen Diblock ein mehrstufiges Selbstmontageverfahren unter Verwendung von Ausgangs (oder Multiblock) -Copolymere. Eines der am häufigsten verwendeten Techniken Selbstmontage wurde von Eisenberg in den 1990er Jahren populär und beinhaltet die Auflösung des amphiphilen Blockcopolymers in einem gemeinsamen Lösungsmittel für beide Polymerblöcke durch die langsame Zugabe eines Lösungsmittels selektiv gefolgt für einen der Blöcke 1-3 . Da das selektive Lösungsmittel (typischerweise Wasser) zugegeben wird, durchläuft das Blockcopolymer Selbstorganisation polymere Nanopartikel zu bilden. Die endgültige Morphologie (oder Mischungen von Morphologien) der Nanopartikel werden von einer Vielzahl von Faktoren wie beispielsweise die relativen Längen jedes Polymerblocks, der Geschwindigkeit der Wasserzugabe und der Art des gemeinsamen Lösungsmittels bestimmt. Jedoch im Allgemeinen ermöglicht dieser Ansatz nur für die Herstellung von nanoparkeln bei relativ niedrigen Feststoffgehalt (weniger als 1 Gew%) und so begrenzt ihre praktische Skalierbarkeit 4. Außerdem kann die reproduzierbare Bildung von "intermediate" Phasen wie wurmähnliche Micellen schwierig sein , zu dem engen Bereich von Parametern aufgrund dieser nicht kugelförmigen Morphologie 5 zur Stabilisierung erforderlich ist .
Die Polymerisation induzierte Selbstorganisation (PISA) approach Adressen teilweise die Nachteile des Eisenberg Ansatz durch das Polymerisationsverfahren unter Verwendung von selbst Selbstorganisation in situ zum Antrieb für Nanopartikelsynthese ermöglicht bei viel höheren Feststoffgehalt (typischerweise 10-30 wt%) 6 -8. In einem typischen PISA Ansatz wird ein lebendes Polymerisationsverfahren zur Kette verwendet, um eine lösungsmittellösliche Makroinitiator (oder Makro-CTA) sich mit einem Monomer, das anfänglich löslich in dem Reaktionsmedium ist, sondern bildet ein unlösliches Polymer. Die PISA-Ansatz verwendet wurde Mizellen durch systematische wurmartige Prüfung eine Reihe von Ex zu synthetisieren perimental Parameter und anhand detaillierter Phasendiagramme als synthetisches "Fahrplan" 5,9.
Trotz ihrer anspruchsvollen Synthese gibt es großes Interesse an der wurmartige Nanopartikel aufgrund ihrer interessanten Eigenschaften im Vergleich zu ihren sphärischen Pendants. Zum Beispiel haben wir gezeigt , dass Drogen geladen kurze und lange wurmartige Mizellen mit einem PISA – Ansatz synthetisiert haben deutlich höhere in vitro – Zytotoxizität im Vergleich zu sphärischen Mizellen oder Vesikel 10. Andere haben eine Korrelation zwischen Nanopartikel – Seitenverhältnis und die Blutzirkulationszeit in di – vivo – Modellen 11 gezeigt. Andere haben gezeigt, dass die Synthese von wurmähnliche Nanopartikel eine geeignete Methodik PISA ergibt eine makroskopische Gel aufgrund der nanoskaligen Verschlingung der Filamente Nanoteilchen verwendet wird. Diese Gele haben Potential als sterilisierbare Gele zeigten aufgrund ihres thermoreversiblen Sol-Gel – Verhalten 12.
ontent "> beschreibt dieses Protokoll ein Verfahren ermöglicht für die in situ – Überwachung der Bildung von wurmähnliche Micellen , indem einfach die Lösungsviskosität während der Polymerisation beobachtet wird . Frühere Studien ähnlicher wurmartigen mizellaren Gelen haben gezeigt , dass oberhalb einer kritischen Temperatur, diese Nanopartikel laufen eine reversible wurm sphere Übergangs- und so frei fließende Dispersionen bei erhöhten Temperaturen bilden. bis heute haben diese Systeme eine thermisch empfindliche Azoverbindung verwendet , um die kontrollierte Polymerisation 13,14 und so eine Gelbildung kann nicht ohne weiteres in diesen Systemen beobachtet einzuleiten während der thermischen Polymerisation. aus diesen Studien wurde die Hypothese aufgestellt , dass für die Beobachtung ermöglichen kann in situ Gelierung dieses Verhalten bei niedrigeren Temperaturen PISA abgeleitet Nanopartikel zu synthetisieren.Vor kurzem berichteten wir über die Verwendung eines einfachen Raumtemperatur Photopolymerisation Technik, um die PISA-Prozess zu vermitteln, zu erhalten Nanopartikelunterschiedliche Morphologien 15. Hier wird ein visualisiert Protokoll wird für die reproduzierbare Synthese von wurmähnliche Micellen präsentiert, indem die Lösung Viskositätsverhalten während der Polymerisation beobachtet wird. Die Dispersionspolymerisation schreitet leicht im Handel erhältlich Leuchtdioden (LEDs) (λ = 460 nm, 0,7 mW / cm 2).
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses visualisiert Protokoll zeigt die Fähigkeit, die Bildung von wurmähnliche Micellen einfach durch Beobachtung des Auftreten von Gel-ähnliches Verhalten zu überwachen. Die Nützlichkeit dieses Ansatzes liegt in der Fähigkeit worm Bildung während der Polymerisation im Vergleich zu anderen Verfahren zu überwachen. Dieses Verfahren kann unter Verwendung einer zweistufigen Polymerisation von zwei kommerziell erhältlichen Monomeren (OEGMA und BzMA) durchgeführt werden , selbstorganisierende POEGMA- b -P…
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
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