Свойства Электроактивный полимер наночастицы Участие фототермические
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
Электроактивные полимеры изменить свои свойства (цвета, проводимость, реактивность, объем и т.д.) в присутствии электрического поля. Быстрые времена переключения, перестройки частоты, долговечность и легкий характеристики электроактивных полимеров привели к многочисленным предлагаемых приложений, в том числе альтернативной энергетики, датчиков, Electrochromics и биомедицинских устройств. Электроактивные полимеры потенциально полезными в качестве гибких, легких батареи и электродов конденсаторов. 1 Приложения электроактивных полимеров в электрохромных устройств включают в себя системы антиивобликовый для зданий и автомобилей, солнцезащитные очки, защитные очки, оптических запоминающих устройств и смарт-тканей. 2-5 Умные окна могут снизить энергетические потребности блокируя определенные длины волн света по требованию и защиты интерьеры домов и автомобилей. Умные текстиль можно использовать в одежде, чтобы помочь защитить от УФ-излучения. 6 Электроактивные полимеры имеют ALSО начали использовать в медицинских устройствах. Среди электроактивных полимеров, используемых в биомедицинских устройств, полипиррол (PPy), полианилин (ПАНИ), и поли (3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT) являются одними из наиболее распространенных. Например, эти типы полимеров обычно используются в качестве преобразователей в биосенсора устройств 7 Применение в терапевтической доставки также показали обещание. исследования показали, высвобождение лекарственных средств и терапевтических белков из устройств, изготовленных из электроактивных полимеров. 8-12 Совсем недавно, электроактивных полимеров были использованы в качестве терапевтических средств при лечении фототермической. 13-15 В фототермической терапии, фототермические агенты должны поглощать свет в ближнем -Инфракрасный (БИК) области (~ 700-900 нм), также известный как терапевтическое окно, в котором свет имеет максимальную глубину проникновения в ткани, как правило, до 1 см. 16,17 В этом диапазоне, биологические хромофоры, такие как гемоглобин , оксигемоглобина, липиды, и вода имеют мало к неПоглощение, которая позволяет свету легко проникать. При фототермические агенты поглощают свет в этом терапевтическое окно, то фотоэнергетических преобразуется в фототермической энергии.
Ирвин с сотр, ранее сообщалось, алкокси-замещенную бис-Edot бензола мономеры, которые были синтезированы с использованием Negishi сцепление. 18 Негиши муфты является предпочтительным способом для образования углерод-углеродной связи. Этот способ имеет много преимуществ, в том числе использование промежуточных цинкорганических, которые менее токсичны и имеют тенденцию к более высокой реакционной чем другие металлоорганические используется. 19,20 Цинкорганические соединения также совместимы с широким спектром функциональных групп на organohalides. 20 в Негиши реакцию сочетания, А.Н. organohalide и металлорганическое соединены посредством использования палладия (0) катализатора. 20 В работе, представленной в данном документе, этот метод кросс муфта используется в синтезе 1,4-диалкокси-2,5-бис ( 3,4-ethylenedioxythienyl) бензолNE (BEDOT-B (OR) 2) мономеров. Эти мономеры могут быть легко полимеризуется электрохимически или химически с образованием полимеров, которые являются перспективными кандидатами для использования в биомедицинских применений.
Обычные способы получения коллоидных суспензий полимерных в водных растворах для биомедицинских применений обычно включают растворение блочных полимеров с последующим nanoprecipitation или эмульсии растворитель методов испарения. 21,22 Для получения NPS поли (BEDOT-B (OR) 2) , снизу вверх подход демонстрируется здесь, где наночастицы синтезируются с помощью на месте эмульсионной полимеризации. Эмульсионная полимеризация представляет собой процесс, который легко масштабируется и является относительно быстрым способом получения НП. 22 Исследования с использованием эмульсионной полимеризации для получения NPS других электроактивных полимеров были зарегистрированы для Ppy и PEDOT. 15,23,24 PEDOT наночастицы, например, были получены с использованием спрей эмульсии рolymerization. 24 Этот метод трудно воспроизвести, и, как правило, приводит к более крупные, микронных размеров частиц. Протокол, описанный в этой статье исследует использование метода раскрывающемся ультразвуком воспроизводимо приготовить 100 нм полимерных NPS.
В этом протоколе, электроактивные полимеры с учетом поглощают свет в ближней инфракрасной области спектра, похожий на ранее сообщалось поли (BEDOT-B (OR) 2) синтезируются и характеризуется продемонстрировать свой потенциал в электрохромных устройств и, как PTT агентов. Во-первых, протокол для синтеза мономеров через Негиши связи описан. Мономеры характеризуются использованием ЯМР и УФ-VIS-NIR спектроскопии. Подготовка НП коллоидных суспензий с помощью полимеризации окислительного эмульсии в водных средах также описано. Методика основана на процессе эмульсионной полимеризации двухступенчатой описанной ранее Хан и др., Которые наносят на различных мономеров. Система двух поверхностно-используется для управления монодисперсность NP. Жизнеспособность клеток анализ используется для оценки cytocompatibility из наночастиц. Наконец, потенциал этих наночастиц выступать в качестве PTT преобразователей продемонстрирована путем облучения с NIR лазера.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этой работе, электроактивные полимерные наночастицы были синтезированы в качестве потенциальных агентов PTT для лечения рака. Получение наночастиц описан, начиная с синтеза мономеров с последующей эмульсионной полимеризации. В то время как подготовка национальных парков с использо?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была частично финансируется Техас Emerging Technology Fund (Startup ТБ), Государственного университета исследовательской программы Повышение Техас, Техас государственного университета докторской диссертации стипендий (в ТЦ), в NSF партнерства для исследований и образования в области материаловедения (PREM, DMR-1205670), The Уэлш Фонд (АИ-0045), и Национальные институты здравоохранения (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 |
References
- 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).
