Synthèse et caractérisation de supramoléculaires Colloids

Summary

A protocol for the synthesis and characterization of colloids coated with supramolecular moieties is described. These supramolecular colloids undergo self-assembly upon the activation of the hydrogen-bonds between the surface-anchored molecules by UV-light.

Abstract

Control over colloidal assembly is of utmost importance for the development of functional colloidal materials with tailored structural and mechanical properties for applications in photonics, drug delivery and coating technology. Here we present a new family of colloidal building blocks, coined supramolecular colloids, whose self-assembly is controlled through surface-functionalization with a benzene-1,3,5-tricarboxamide (BTA) derived supramolecular moiety. Such BTAs interact via directional, strong, yet reversible hydrogen-bonds with other identical BTAs. Herein, a protocol is presented that describes how to couple these BTAs to colloids and how to quantify the number of coupling sites, which determines the multivalency of the supramolecular colloids. Light scattering measurements show that the refractive index of the colloids is almost matched with that of the solvent, which strongly reduces the van der Waals forces between the colloids. Before photo-activation, the colloids remain well dispersed, as the BTAs are equipped with a photo-labile group that blocks the formation of hydrogen-bonds. Controlled deprotection with UV-light activates the short-range hydrogen-bonds between the BTAs, which triggers the colloidal self-assembly. The evolution from the dispersed state to the clustered state is monitored by confocal microscopy. These results are further quantified by image analysis with simple routines using ImageJ and Matlab. This merger of supramolecular chemistry and colloidal science offers a direct route towards light- and thermo-responsive colloidal assembly encoded in the surface-grafted monolayer.

Introduction

Matières colloïdales mésostructuré trouver une large application dans la science et de la technologie, comme systèmes modèles pour des études fondamentales sur les matériaux atomiques et moléculaires ^1,2, en tant que matériaux photoniques ^3,4, en tant que systèmes de délivrance de médicaments ^5,6, comme revêtements ⁷ et en lithographie pour un motif de surface ^8,9. Depuis colloïdes lyophobiques sont des matériaux métastables qui finissent par agrègent de façon irréversible en raison des omniprésent van der Waals, leur manipulation dans des structures cibles spécifiques est notoirement difficile. De nombreuses stratégies ont été développées pour contrôler l' auto-assemblage colloïdale y compris l'utilisation d'additifs pour régler les électrostatiques ^10,11 ou déplétion interactions ^12,13, ou les déclencheurs externes tels que magnétiques ¹⁴ ou électriques ¹⁵ champs. Une stratégie alternative sophistiquée pour obtenir un contrôle sur la structure, la dynamique et la mécanique de ces systèmes est leur esprit de fonctionnalisationh molécules interagissant par des forces spécifiques et directionnelles. La chimie supramoléculaire offre une boîte à outils complète de petites molécules présentant des interactions encore réversibles fortes, directionnelle spécifique au site et qui peuvent être modulées en force par la polarité du solvant, de la température et de la lumière ^16. Depuis leurs propriétés ont été largement étudiés en vrac et en solution, ces molécules sont des candidats intéressants pour structurer des matériaux mous dans les phases exotiques d'une manière prévisible. Malgré le potentiel évident d'une telle approche intégrée pour orchestrer l' assemblage colloïdal via la chimie supramoléculaire, ces disciplines ont rarement interfacé d'adapter les propriétés des matières colloïdales mésostructurés ^17,18.

Une plate-forme solide de colloïdes supramoléculaires doit répondre à trois exigences principales. Tout d'abord, le couplage du fragment supramoléculaire doit être fait sous douces conditions pour prévenir la dégradation. Deuxièmement, les forces de surface à separations plus grand que le contact direct devrait être dominé par les motifs attachés, ce qui signifie que les colloïdes non couchés devraient presque interagir exclusivement par interactions volume exclu. Par conséquent, les propriétés physico-chimiques des colloïdes doivent être adaptés pour supprimer d'autres interactions inhérentes aux systèmes colloïdaux, tels que le Van der Waals ou des forces électrostatiques. Troisièmement, la caractérisation devrait permettre une attribution sans équivoque de l'ensemble à la présence des groupements supramoléculaires. Pour répondre à ces trois conditions, une synthèse en deux étapes robuste de colloïdes supramoléculaires a été développé (figure 1a). Dans une première étape, des particules de silice de NVOC hydrophobes fonctionnalisés sont préparés pour une dispersion dans le cyclohexane. Le groupe NVOC peut être facilement clivé, ce qui donne des particules à fonction amine. La forte réactivité des amines permet post-fonctionnalisation directe avec le fragment supramoléculaire désiré en utilisant une large gamme de conditions réactionnelles douces. Ici, nous prepare colloïdes supramoléculaires par fonctionnalisation des perles de silice avec de l' alcool de stéaryle et un groupe benzène-1,3,5-tricarboxamide (BTA) ²⁰ dérivé. L'alcool stéarylique joue plusieurs rôles importants: il rend le colloïdes organophile et introduit à courte portée répulsions stériques qui aide à réduire l'interaction non spécifique entre colloïdes ^21,22. van der Waals sont encore réduits en raison de la correspondance étroite entre l'indice de réfraction des colloïdes et le solvant ^23. À courte portée des forces de surface attrayantes légères et thermosensibles sont générés par incorporation de o – nitrobenzyle protégée BTA ^20. Groupement O nitrobenzyle est un groupe photo-clivable qui bloque la formation de liaisons hydrogène entre les AFF adjacents lorsqu'ils sont incorporés sur les amides dans les discotics (figure 1b). Sur photoclivage par la lumière UV, la BTA en solution est capable de reconnaître et d'interagir avec des molécules BTA identiques par un facteur 3 hréseau de liaison ydrogen, avec une force de liaison qui est fortement dépendante de la température ^17. Depuis le van der Waals attractions sont minimes pour stéaryle particules enrobées de silice dans le cyclohexane, ainsi que la lumière et indépendante de la température, le stimuli-sensibles ensemble colloïdale observée doit être BTA-médiée.

Cette vidéo détaillée montre comment synthétiser et de caractériser les colloïdes supramoléculaires et comment étudier leur auto-assemblage sur le rayonnement UV par microscopie confocale. En outre, un protocole d'analyse d'image simple pour distinguer singulets colloïdales de colloïdes en cluster et de déterminer la quantité de colloïdes par grappes est signalé. La polyvalence de la stratégie de synthèse permet de faire varier la taille des particules, la couverture de surface, ainsi que la fraction de liaison introduit, ce qui ouvre de nouvelles voies pour le développement d'une grande famille de blocs de construction colloïdales pour les matériaux avancés mésostructurés facilement.

Protocol

1. Synthèse de Core-shell particules de silice Nota: Les particules de silice sont synthétisés selon la procédure suivante, qui est basée sur la méthode Stöber 24,25. Synthèse des graines de silice fluorescentes Dissoudre 105 mg (0,27 mmol) d'isothiocyanate de fluorescéine dans 5 ml d'éthanol. Ajouter 100 ul de (3-aminopropyl) triéthoxysilane (APTES, 0,43 mmol) à la solution précédente. …

Representative Results

Étant donné que la procédure en deux étapes utilisée pour synthétiser les colloïdes supramoléculaires (Figure 1a), les couples du BTA- dérivés (figure 1b) dans une deuxième étape à la température ambiante et dans des conditions douces de réaction, sa stabilité est assurée. Figure 1. Schéma de la s…

Discussion

Quand le cyclohexane, avec un indice de réfraction de 1,426, est utilisé comme solvant pour disperser les BTA-colloïdes, des interactions de van der Waals sont très faibles, puisque les indices de réfraction des colloïdes et le solvant sont à peu près les mêmes. A noter que la concentration des colloïdes fonctionnalisés utilisés pour les expériences SLS dans le cyclohexane est beaucoup plus élevé par rapport aux colloïdes de silice nue dans l'eau. Ceci est nécessaire pour obtenir une dispersion suff…

Materials

APTES	Sigma-Aldrich
FTIC	Sigma-Aldrich
TEOS	Sigma-Aldrich
LUDOX AS-40	Sigma-Aldrich		Silica particles of 13 nm in radius
MilliQ	—	—	18.2 MΩ·cm at 25 °C
Ethanol	SolvaChrom		—
Ammonia (25% in water)	Sigma-Aldrich		—
Chloroform	SolvaChrom		—
Cyclohexane	Sigma-Aldrich		—
Dimethylformamide (DMF)	Sigma-Aldrich		—
Stearyl alcohol	Sigma-Aldrich		—
N,N-Diisopropylethylamine (DIPEA)	Sigma-Aldrich		—
Benzotriazol-1-yl-oxytripyrrolidinophosphonium hexafluorophosphate (PyBOP)	Sigma-Aldrich		—
Succinimidyl 3-(2-pyridyldithio)propionate (SPDP)	Sigma-Aldrich		—
Dithiothreitol (DTT)	Sigma-Aldrich		—
NVOC-C11-OH	Synthesized	—	I. de Feijter, 2014 Responsive materials from adaptive supramolecular constructs, Doctoral thesis, Technical University of Eindhoven, The Netherlands
BTA	Synthesized	—	I. de Feijter, 2014 Responsive materials from adaptive supramolecular constructs, Doctoral thesis, Technical University of Eindhoven, The Netherlands
Centrifuge	Thermo Scientific		Heraeus Megafuge 1.0
Ultrasound bath	VWR		Ultrasonic cleaner
Peristaltic pumps	Harvard Apparatus		PHD Ultra Syringe Pump
UV-oven	Luzchem		LZC-a V UV reactor equipped with 8×8 UVA light bulbs (λmax=354 nm)
Stirrer-heating plate	Heidolph		MR-Hei Standard
Light Scattering	ALV		CGS-3 MD-4 compact goniometer system, equipped with a Multiple Tau digital real time correlator (ALV-7004) and a solid-state laser (λ=532 nm, 40 mW)
UV-Vis spectrophotometer	Thermo Scientific		NanoDrop 1000 Spectrophotometer
Confocal microscope	Nikon		Ti Eclipse with an argon laser with λexcitation=488 nm
Slide spacers	Sigma-Aldrich		Grace BioLabs Secure seal imaging spacer (1 well, diam. × thickness 13 mm × 0.12 mm)
Syringes	BD Plastipak		20 mL syringe
Plastic tubing	SCI	BB31695-PE/5	Ethylene oxide gas sterilizable micro medical tubing
Pulsating vortex mixer	VWR		Electrical: 120V, 50/60Hz, 150W Speed Range: 500–3000 rpm