Facile Synthesis of Worm-lignende Miceller av synlig lys mediert dispersjonspolymeriseringen Bruke 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
Syntesen av ikke-sfærisk (og andre) nanopartikkel morfologi har tradisjonelt vært utført ved hjelp av en flertrinns selvbygging prosedyren starter med syntese og rensing av veldefinerte amfifile diblokk (eller multiblokk) kopolymerer. En av de mest vanlige selv montering teknikker ble popularisert av Eisenberg i 1990-årene og innebærer oppløsning av den amfifile blokk-kopolymeren i et felles oppløsningsmiddel for både polymerblokker, etterfulgt av langsom tilsetning av et oppløsningsmiddel selektiv for en av blokkene 1-3 . Som det selektive løsningsmiddel (vanligvis vann) tilsettes, gjennomgår blokk-kopolymeren selv-sammenstillingen for å danne polymere nanopartikler. Den endelige morfologi (eller blandinger av morfologier) av nanopartikler blir bestemt av et stort antall faktorer, slik som de relative lengder av hver polymerblokk, frekvensen av vanntilsetning og arten av det felles løsningsmiddel. Men denne metoden vanligvis bare gjør det mulig for produksjon av nanoparpartikler ved forholdsvis lavt faststoffinnhold (mindre enn 1 vekt%) og så begrenser dens praktiske skalerbarhet 4. I tillegg kan reproduserbar dannelse av "mellomliggende" faser som markliknende miceller være vanskelig på grunn av den smale bredde av parametere som kreves for å stabilisere den ikke-sfærisk morfologi 5.
Polymerisasjonen-indusert selv-sammenstillingen (PISA) tilnærming løser delvis ulempene ved Eisenberg tilnærming ved anvendelse av polymerisasjonsprosessen i seg selv å kjøre selv-montering in situ slik at for nanopartikkel-syntese ved mye høyere faststoffinnhold (typisk 10-30 vekt-%) 6 -8. I en typisk PISA tilnærming, er en levende polymerisasjonsprosess benyttes for å forlenge kjeden et oppløsningsmiddel oppløselig macroinitiator (eller makro CTA) med en monomer som er innledningsvis løselig i reaksjonsmediet, men danner en uoppløselig polymer. PISA tilnærming har blitt anvendt for å syntetisere markliknende miceller ved systematisk testing av en rekke ex perimental parametere og ved hjelp av detaljerte fasediagram som en syntetisk "veikart" 5,9.
Til tross for sin utfordrende syntese, er det stor interesse for orm-lignende nanopartikler på grunn av deres interessante egenskaper i forhold til sine sfæriske kolleger. For eksempel har vi vist at stoffet lastet korte og lange markliknende miceller syntetisert ved hjelp av en PISA tilnærming har betydelig høyere in vitro cytotoksisitet i forhold til sfæriske miceller eller blemmer 10. Andre har vist en sammenheng mellom nanopartikkel-format og blodsirkulasjonen tid i in vivo-modeller 11. Andre har vist at syntesen av markliknende nanopartikler ved anvendelse av en passende PISA metodologi gir et makroskopisk gel på grunn av nanoskala sammenfiltring av de nanopartikkel filamenter. Disse geler har vist potensial som steriliserbare geler på grunn av deres termoreversible sol-gel oppførsel 12.
ontent "> Denne protokollen beskriver en fremgangsmåte som tillater in situ overvåking av dannelse av markliknende miceller ved ganske enkelt å observere oppløsningsviskositet under polymeriseringen. Tidligere studier av samme markliknende micelle-geler har vist at over en kritisk temperatur, disse nanopartikler gjennomgår en reversibel orm-sfære overgang og så danne frittflytende dispersjoner ved forhøyede temperaturer. Hittil har disse systemene benyttes en termisk følsomt azoforbindelse å initiere kontrollert polymerisering 13,14 og slik at gelering ikke lett kan observeres i disse systemene under den termiske polymeriseringen. fra disse studiene, ble det antatt at syntetisering PISA avledet nanopartikler ved lavere temperaturer kan gi rom for observasjon av denne gelering oppførsel in situ.Nylig rapporterte bruken av et lettvint romtemperatur fotopolymerisering teknikk for å mediere PISA prosessen for å gi nanopartikler avforskjellige morfologi 15. Her blir en visualisert protokoll presenteres for reproduserbar syntese av markliknende miceller ved å observere oppløsningsviskositet opptreden under polymeriseringen. Dispersjonspolymeriseringen inntektene lett å bruke kommersielt tilgjengelige lysdioder (LED) (λ = 460 nm, 0,7 mW / cm 2).
Protocol
Representative Results
Discussion
Dette visualisert protokollen viser evnen til å overvåke dannelse av markliknende miceller simpelthen ved å observere begynnende gel-lignende oppførsel. Anvendeligheten av denne metode ligger i evnen til å overvåke orm dannelse under polymeriseringen i forhold til andre metoder. Denne fremgangsmåten kan utføres ved hjelp av en to-trinns polymerisering av to kommersielt tilgjengelige monomerer (OEGMA og BzMA) under dannelse av selv-sammensatte POEGMA- b -PBzMA amfifile diblokk-kopolymerer.
<p class="…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).
