Egenskaper elektro Polymer Nanopartikler Exhibiting Photothermal
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 som endrer sine egenskaper (farge, konduktivitet, reaktivitet, volum, etc.) i nærvær av et elektrisk felt. Den raske koblingstider, tunability, holdbarhet og lette karakteristikker av electro polymerer har ført til mange forslag til programmer, inkludert alternativ energi, sensorer, electrochromics, og biomedisinske enheter. Electro polymerer er potensielt nyttige som fleksible, lette batteri og kondensatorelektrodene. 1 Anvendelser av electro polymerer i elektrokromatiske enheter inkluderer reduksjon av gjenskinn systemer for bygninger og biler, solbriller, beskyttelsesbriller, optiske lagringsenheter og smarte tekstiler. På 2-5 Smarte vinduer kan redusere energibehovet ved å blokkere bestemte bølgelengder av lys on-demand og beskytte interiøret av boliger og biler. Smarte tekstiler kan brukes i klær for å beskytte mot UV-stråling. 6 elektro polymerer har also begynt å bli brukt i medisinske innretninger. Blant elektroaktive polymerer som anvendes i biomedisinske anordninger, polypyrrol (PpY), polyanilin (PANI), og poly (3,4-etylendioksytiofen) (PEDOT) er blant de mest vanlige. Eksempelvis er disse typer av polymerer som vanligvis anvendes som transdusere i biosensor anordninger 7-applikasjoner i terapeutisk levering har også vist seg lovende.; studier har vist at frigjøring av medikamenter og terapeutiske proteiner fra enheter fremstilt fra elektroaktive polymerer. 8-12 Mer nylig er elektroaktive polymerer vært anvendt som terapeutiske midler i fototermiske behandling. 13-15 I fototermiske behandling, må fototermiske midler absorberer lys i nær -infrared (NIR) region (~ 700-900 nm), også kjent som det terapeutiske vinduet, hvor lyset har den maksimale inntrengningsdybde i vev, typisk opp til 1 cm. 16,17 I dette området biologiske kromoforer som for eksempel hemoglobin , oksygenert hemoglobin, lipider, og vann har liten til ingenabsorbans, som gjør det mulig for lys å trenge lett. Når fototermiske midler absorberer lys i dette terapeutiske vinduet, blir photoenergy omdannes til fototermiske energi.
Irvin og medarbeidere har tidligere rapportert alkoksy-substituert bis-EDOT benzen monomerer som ble syntetisert ved hjelp av Negishi kobling. 18 Negishi kopling er en foretrukket metode karbon-karbon-binding for dannelse. Denne fremgangsmåte har mange fordeler, blant annet bruk av organosink- mellomprodukter, noe som er mindre giftige og har en tendens til å ha høyere reaktivitet enn andre organometallics anvendes. 19,20 organosinkforbindelser er også kompatible med et bredt spekter av funksjonelle grupper på organohalider. 20 I Negishi koblingsreaksjonen, er et organohalogenid og organometall koplet ved bruk av en palladium (0) katalysator. 20 I det arbeidet som presenteres her, er dette krysskoblingsmetoden anvendt i syntesen av 1,4-dialkoksy-2,5-bis ( 3,4-ethylenedioxythienyl) benzene (bedot-B (OR) 2) monomerer. Disse monomerer kan da lett polymeriseres elektrokjemisk eller kjemisk for å gi polymerer som er lovende kandidater for bruk i biomedisinske anvendelser.
Konvensjonelle fremgangsmåter for fremstilling av kolloidale polymersuspensjoner i vandige oppløsninger for biomedisinske applikasjoner involverer typisk oppløsning av bulk-polymerer, etterfulgt av nanoprecipitation eller emulsjons-oppløsningsmiddel fordampningsteknikker. 21,22 For å produsere NPS av poly (bedot-B (OR) 2) er en bottom-up tilnærming demonstrert her hvor NPs syntetiseres via de situ emulsjonspolymerisasjon. Emulsjonspolymerisasjon er en prosess som er lett skalerbar og er en relativt rask metode for NP forberedelse. 22 Studier ved hjelp emulsjonspolymerisasjonen å produsere NPs andre elektroaktive polymerer er rapportert for ppy og PEDOT. 15,23,24 PEDOT NPs, for eksempel, er utarbeidet med spray emulsjon polymerization. 24 Denne metoden er vanskelig å reprodusere, og vanligvis gir større, mikron-størrelse partikler. Protokollen er beskrevet i denne artikkelen utforsker bruken av en drop-ultralydmetode til reproduserbart forberede 100 nm-polymer NPs.
I denne protokollen, elektroaktive polymerer som er skreddersydd til å absorbere lys i NIR region som ligner tidligere rapportert poly (bedot-B (OR) 2) syntetiseres og preget til å demonstrere sitt potensial i elektrokromatiske enheter og som TOS agenter. Først blir protokoll for syntese av monomerene via Negishi kobling rives. Monomerene er karakterisert ved hjelp av NMR og UV-Vis-NIR-spektroskopi. Fremstillingen av NP kolloide suspensjoner via oksidativ emulsjonspolymerisering i vandige media er også beskrevet. Fremgangsmåten er basert på en to-trinns emulsjonspolymerisasjon prosess som tidligere er beskrevet av Han et al., Som tilføres til de forskjellige monomerene. En to-overflateaktivt system erbrukes til å styre NP monodispersitet. En cellelevedyktighet assay brukes til å evaluere cytocompatibility av NPS. Til slutt, er potensialet i disse NPs til å opptre som TOS transdusere demonstrert ved bestråling med en NIR laser.
Protocol
Representative Results
Discussion
I dette arbeidet har electropolymer NPs blitt syntetisert som potensielle TOS midler for kreftbehandling. Fremstillingen av NPS beskrives, med utgangspunkt i syntesen av monomerene etterfulgt av emulsjonspolymerisasjon. Mens fremstillingen av NPS ved hjelp av elektroaktive polymerer som EDOT og pyrrol har blitt beskrevet før, beskriver dette papiret fremstilling av polymere NPS starter med unike utvidede konjugeringsformål monomerer, noe som viser at denne fremgangsmåten kan utvides til større og mer komplekse monom…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble finansiert delvis av Texas Emerging Technology Fund (Oppstart til TB), Texas State University Research Enhancement Program, Texas State University doktorgradsstipend (til TC), NSF Partnerskap for forskning og utdanning 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
- Irvin, J., Irvin, D., Stenger-Smith, J. Electrically active polymers for use in batteries and supercapacitors. Handbook of Conducting Polymers. , (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kline, W. M., Lorenzini, R. G., Sotzing, G. A. A review of organic electrochromic fabric devices. Coloration Technology. 130 (2), 73-80 (2014).
- Gerard, M., Chaubey, A., Malhotra, B. D. Application of conducting polymer to biosensors. Biosensors & Bioeletronics. 17, 345-359 (2002).
- Abidian, M. R., Kim, D. -. H., Martin, D. C. Conducting-polymer nanotubes for controlled drug release. Advanced materials. 18 (4), 405-409 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Chougule, M. A. Synthesis and characterization of polypyrrole (PPy) thin films. Soft Nanoscience Letters. 01 (01), 6-10 (2011).
- 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).
- Diniz, S. N., Sosnik, A., Mu, H., Valduga, C. J. Nanobiotechnology. BioMed research international. 2013, (2013).
- Weissleder, R. A Clearer Vision for in vivo Imaging. Nature Biotechnology. , (2001).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hoye, T., Eklov, B., Voloshin, M. No-D NMR spectroscopy as a convenient method for titering. Organic Letters. 6 (15), 2567-2570 (2004).
- 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).
- 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).
- Winkel, K. L., Carberry, J. R., et al. Donor-acceptor-donor polymers utilizing pyrimidine-based acceptors. Reactive & Functional Polymers. 83, 113-122 (2014).
- Kròl, E., Scheffers, D. -. J. FtsZ polymerization assays: simple protocols and considerations. Journal of Visualized Experiments : JoVE. (81), e50844 (2013).
- Zolnik, B., Potter, T. M., Stern, S. T. Zeta potential measurement. Methods in Molecular Biology. 697, 173-179 (2011).
- Nogi, K., Naito, M., Yokoyama, T. . Nanoparticle technology handbook. , (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
