Summary

Elektroaktiv Polymer Nanopartikler udstiller fototermisk Properties

Published: January 08, 2016
doi:

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

Elektroaktive polymerer ændre deres egenskaber (farve, ledningsevne, reaktivitet, volumen, etc.) i nærvær af et elektrisk felt. De hurtige skift gange, justerbarhed, holdbarhed og letvægts karakteristika af elektroaktive polymerer har ført til mange foreslåede programmer, herunder alternativ energi, sensorer, electrochromics og biomedicinsk udstyr. Elektroaktive polymerer er potentielt anvendelige som fleksible, letvægts batteri og kondensator elektroder. 1 Anvendelser af elektroaktive polymerer i elektrochrome enheder omfatter systemer til bygninger og biler, solbriller, beskyttelsesbriller, optiske lagringsenheder og intelligente tekstiler blænding reduktion. 2-5 Smart vinduer kan reducere energibehovet ved at blokere bestemte bølgelængder af lys on-demand og beskytte interiører af boliger og biler. Intelligente tekstiler kan bruges i tøj for at hjælpe med at beskytte mod UV-stråling. 6 Elektroaktive polymerer har also begyndt at blive anvendt i medicinsk udstyr. Blandt elektroaktive polymerer, der anvendes i biomedicinske indretninger, polypyrrol (PPy), polyanilin (PANI) og poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) er blandt de mest almindelige. For eksempel er disse typer af polymerer almindeligvis anvendes som transducere i biosensor enheder 7 Anvendelser i terapeutisk levering har også vist sig lovende.; undersøgelser har vist frigivelse af lægemidler og terapeutiske proteiner fra enheder fremstillet ud fra elektroaktive polymerer. 8-12 For nylig har elektroaktive polymerer blevet anvendt som terapeutiske midler i fototermisk terapi. 13-15 I fototermisk behandling, skal fototermisk midler absorberer lys i den nærmeste -Infrarød (NIR) område (~ 700-900 nm), også kendt som det terapeutiske vindue, hvor lyset har den maksimale indtrængningsdybde i væv, typisk op til 1 cm. 16,17 I dette område, biologiske kromoforer, såsom hæmoglobin , iltet hæmoglobin, lipider og vand har ringe-til-noabsorbans, som gør det muligt let at trænge let. Når fototermisk agenter absorberer lys i denne terapeutiske vindue er photoenergy konverteret til fototermisk energi.

Irvin og medarbejdere har tidligere rapporteret alkoxysubstitueret bis-EDOT benzen monomerer, blev syntetiseret under anvendelse Negishi kobling. 18 Negishi kobling er en foretrukken fremgangsmåde til carbon-carbonbinding formation. Denne fremgangsmåde har mange fordele, herunder brugen af organozinkreagenser mellemprodukter, som er mindre toksiske og har tendens til at have højere reaktivitet end andre organometalliske anvendes. 19,20 organozinkforbindelser er også kompatible med en lang række funktionelle grupper på de organohalogenider. 20 I Negishi koblingsreaktion er en organohalide og organometallisk koblet ved anvendelse af en palladium (0) katalysator. 20 I arbejdet præsenteret heri, er denne krydskobling fremgangsmåde anvendes i syntesen af 1,4-dialkoxy-2,5-bis ( 3,4-ethylenedioxythienyl) benzene (BEDOT-B (OR) 2) monomerer. Disse monomerer kan derefter let polymeriseres elektrokemisk eller kemisk til dannelse af polymerer, der er lovende kandidater til anvendelse i biomedicinske anvendelser.

Konventionelle fremgangsmåder til fremstilling af kolloide suspensioner polymere i vandige opløsninger til biomedicinske anvendelser omfatter typisk opløsning af bulk polymerer efterfulgt af nanoprecipitation eller emulsion-opløsningsmiddelafdampning teknikker. 21,22 For at fremstille NPs af poly (BEDOT-B (OR) 2) , en bottom-up-tilgang demonstreres her, hvor de nationale parlamenter syntetiseres via de situ emulsionspolymerisering. Emulsionspolymerisation er en proces, der er let skalerbar og er en relativt hurtig metode til fremstilling NP. 22 Undersøgelser med emulsionspolymerisation at producere NPs andre elektroaktive polymerer er blevet rapporteret for PPv og PEDOT. 15,23,24 PEDOT NP, f.eks er udarbejdet efter spray emulsion polymerization. 24 Denne fremgangsmåde er vanskelig at reproducere og giver typisk større, mikrometerstore partikler. Den beskrives i denne artikel protokol udforsker brugen af ​​en drop-lydbehandling metode til reproducerbart forberede 100-nm polymer NP'er.

I denne protokol, elektroaktive polymerer skræddersyet til at absorbere lys i NIR-området svarende til tidligere rapporterede poly (BEDOT-B (OR) 2) syntetiseres og karakteriseres til at demonstrere deres potentiale i elektrokrome indretninger og som TOT agenter. For det første er protokollen for syntese af monomerer via Negishi kobling beskrevet. Monomererne karakteriseres ved NMR og UV-Vis-NIR-spektroskopi. Fremstillingen af ​​kolloide suspensioner NP via oxidativ emulsionspolymerisation i vandige medier er også beskrevet. Proceduren er baseret på tidligere beskrevet af Han et al., Der anvendes på de forskellige monomerer en totrins emulsionspolymerisationsproces. En to-overfladeaktive system erbruges til at styre NP monodispersitet. En celleviabilitetstest anvendes til at vurdere cytocompatibility af NPS. Endelig er potentialet i disse nationale parlamenter til at fungere som TOT transducere demonstreret ved bestråling med en NIR laser.

Protocol

Forsigtig: Se venligst alle relevante sikkerhedsdatablade (SDS) før brug. Flere af de anvendte reagenser i disse synteser er potentielt farligt. Brug venligst alle passende sikkerhedsforanstaltninger, herunder personlige værnemidler (sikkerhedsbriller, handsker, kittel, lange bukser og lukkede toe sko), og udfører synteser i stinkskabe. Lithiering er særligt farligt og bør kun udføres af uddannet personer med tilsyn. 1. Monomer Synthesis Bemærk: Figu…

Representative Results

Reaktionen protokol gav M1 og M2 er vist i figur 1. Monomererne kan karakteriseres ved 1H og 13C NMR spektroskopi, smeltepunkt og elementaranalyse. Den 1H NMR-spektret indeholder oplysninger om tilslutning af atomer og deres elektroniske miljøer; Det er således rutinemæssigt anvendes til at verificere, at reaktionerne er afsluttet med succes. Negishi koblingsreaktioner involverer kobling af phenylringen til EDOT, hvilket phenyl proton …

Discussion

I dette arbejde, har elektroaktive polymer NP'er blevet syntetiseret som potentielle PTT midler til cancerbehandling. Fremstillingen af ​​NPS er beskrevet, startende med syntesen af ​​monomererne efterfulgt af emulsionspolymerisation. Mens fremstillingen af ​​NP'er ved hjælp elektroaktive polymerer, såsom EDOT og pyrrol er blevet beskrevet før, dette papir beskriver fremstillingen af ​​polymere NP'er startende med unikke udvidede konjugationsfremgangsmåder monomerer, hvilket viser, at den…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev finansieret delvist af Texas Emerging Technology Fund (Opstart til TB), Texas State University Research Enhancement Program, Texas State University Ph.d. Research Fellowship (til TC), NSF Partnerskab for forskning og uddannelse i Materials (PREM, DMR-1205670), Welch Foundation (AI-0045) og 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

Referências

  1. Irvin, J., Irvin, D., Stenger-Smith, J. Electrically active polymers for use in batteries and supercapacitors. Handbook of Conducting Polymers. , (2007).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Zhu, Y., Otley, M. T., et al. Neutral color tuning of polymer electrochromic devices using an organic dye. Chemical Communications, Cambridge, England. 50 (60), 8167-8170 (2014).
  6. Kline, W. M., Lorenzini, R. G., Sotzing, G. A. A review of organic electrochromic fabric devices. Coloration Technology. 130 (2), 73-80 (2014).
  7. Gerard, M., Chaubey, A., Malhotra, B. D. Application of conducting polymer to biosensors. Biosensors & Bioeletronics. 17, 345-359 (2002).
  8. Abidian, M. R., Kim, D. -. H., Martin, D. C. Conducting-polymer nanotubes for controlled drug release. Advanced materials. 18 (4), 405-409 (2006).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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), 171-181 (2005).
  12. 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).
  13. 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), 5605-5613 (2012).
  14. Chougule, M. A. Synthesis and characterization of polypyrrole (PPy) thin films. Soft Nanoscience Letters. 01 (01), 6-10 (2011).
  15. 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), 5586-5592 (2012).
  16. Diniz, S. N., Sosnik, A., Mu, H., Valduga, C. J. Nanobiotechnology. BioMed research international. 2013, (2013).
  17. Weissleder, R. A Clearer Vision for in vivo Imaging. Nature Biotechnology. , (2001).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Hoye, T., Eklov, B., Voloshin, M. No-D NMR spectroscopy as a convenient method for titering. Organic Letters. 6 (15), 2567-2570 (2004).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Winkel, K. L., Carberry, J. R., et al. Donor-acceptor-donor polymers utilizing pyrimidine-based acceptors. Reactive & Functional Polymers. 83, 113-122 (2014).
  30. Kròl, E., Scheffers, D. -. J. FtsZ polymerization assays: simple protocols and considerations. Journal of Visualized Experiments : JoVE. (81), e50844 (2013).
  31. Zolnik, B., Potter, T. M., Stern, S. T. Zeta potential measurement. Methods in Molecular Biology. 697, 173-179 (2011).
  32. Nogi, K., Naito, M., Yokoyama, T. . Nanoparticle technology handbook. , (2012).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
check_url/pt/53631?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Cantu, T., Rodier, B., Iszard, Z., Kilian, A., Pattani, V., Walsh, K., Weber, K., Tunnell, J., Betancourt, T., Irvin, J. Electroactive Polymer Nanoparticles Exhibiting Photothermal Properties. J. Vis. Exp. (107), e53631, doi:10.3791/53631 (2016).

View Video