סינתזה קלילה של Micelles תולעת דמוית ידי גלוי אור מתווכת פילמור נפיצה שימוש 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
הסינתזה של ננו-חלקיקי מורפולוגיה nonspherical (ואחרים) הושגה באופן מסורתי באמצעות הליך הרכבה עצמית רב שלבים החל הסינתזה וטיהור diblock amphiphilic המוגדר היטב (או multiblock) קופולימרים. אחת טכניקות הרכבה עצמית הנפוצות ביותר היה לפופולרי אייזנברג בשנת 1990 והיא כרוכה פירוקה של קופולימר בלוק amphiphilic בתוך ממס משותף לשני בלוקי הפולימר ואחריו התוספת האיטית של סלקטיבית ממס עבור אחת מהאבן 1-3 . כמו ממס סלקטיבית (בדרך כלל מים) הוא הוסיף, קופולימר לחסום עובר הרכבה עצמית כדי ליצור חלקיקים פולימריים. המורפולוגיה הסופית (או התערובות של מורפולוגיות) של החלקיקים נקבעות על ידי מספר רב של גורמים כגון האורכים היחסיים של כל בלוק פולימר, שיעור בנוסף מים ואת אופי הממס הנפוץ. עם זאת, גישה זו בדרך כלל מאפשרת רק לייצור nanoparticles ב תוכן מוצק נמוך יחסית (פחות מ -1% WT) וכך מגביל מדרגיות 4 מעשית. בנוסף, ההיווצרות לשחזור של פאזות "ביניים" כגון מיצלות תולעת דמוית יכולה להיות קשה בשל הטווח הצר של פרמטרים הדרושים כדי לייצב מורפולוגיה 5 nonspherical זה.
The-הרכבה עצמית המושרה פילמור (PISA) הגישה חלקית מענה לחסרונות של הגישה אייזנברג ידי ניצול תהליך פילמור עצמו לנהוג הרכבה עצמית באתרו המאפשר סינתזה nanoparticle ב הרבה תוכן מוצקים יותר (בדרך כלל 10-30% WT) 6 -8. בגישת PISA טיפוסית, תהליך פילמור חיים משמש שרשרת להאריך macroinitiator מסיס ממס (או מאקרו-CTA) עם מונומר כי הוא בתחילה מסיס מדיום התגובה אך מהווה פולימר מסיס. הגישה PISA נעשה שימוש כדי לסנתז מיצלות דמוית תולעת ידי בדיקת שיטתי מספר לשעבר פרמטרי perimental ושימוש דיאגרמות שלב מפורטים כמו "מפת דרכים" סינטתית 5,9.
למרות הסינתזה שלהם המאתגרת, יש עניין רב חלקיקים תולעית בשל המאפיינים המעניינים שלהם ביחס לעמיתיהם הכדוריים שלהם. לדוגמא, אנו הוכחנו כי טעון תרופה קצרה וארוכת מיצלות דמוית תולעת המסונתזת באמצעות גישת PISA יש גבוהה משמעותי רעיל במבחנה לעומת מיצלות כדורית או שלפוחית 10. אחרים הראו קשר בין יחס הממדים nanoparticle וזמן זרימת הדם in vivo מודלים 11. אחרים הראו כי הסינתזה של חלקיקים דמויי תולעת באמצעות מתודולוגיה PISA מתאימה מניבה ג'ל מקרוסקופית בשל ההסתבכות ננומטריים של סיבי ננו-חלקיקים. ג'ל אלו הוכיחו פוטנציאל כמו ג'לים sterilizable בשל התנהגות סול ג'ל thermoreversible שלהם 12.
ontent "> פרוטוקול זה מתאר שיטה המאפשרת ניטור באתרו של היווצרות של מיצלות דמוית תולעת פשוט על ידי התבוננות צמיגות פתרון במהלך פילמור. מחקרים קודמים של ג'לים micellar דמוית תולעת דומה הראו כי מעל לטמפרטורה קריטית, אלה חלקיקים עוברים מעבר תולעת-כדור הפיך וכך יוצרים תפוצות חופשיות זורמות בטמפרטורות גבוהות. נכון להיום, מערכות אלה השתמשו תרכובת אזו רגישה תרמי ליזום פילמור נשלט 13,14 וכך gelation לא יכול לצפות בקלות במערכות אלו במהלך פילמור התרמית. ממחקרים אלה, זה היה שיערותיו כי סינתזת חלקיקים נגזרים PISA בטמפרטורות נמוכות עשויה לאפשר תצפית של התנהגות gelation זו באתרו.לאחרונה דיווחנו על השימוש בטכניקת photopolymerization הטמפרטורה קלילה חדר לתווך בתהליך PISA להניב חלקיקים שלמורפולוגיות שונות 15. כאן, פרוטוקול דמיין מוצג לסינתזה לשחזור של מיצלות דמוית תולעת על ידי התבוננות בהתנהגות הצמיגה הפתרון במהלך פילמור. התמורה פילמור פיזור בקלות באמצעות זמינים מסחרית דיודות פולטות אור (LEDs) (λ = 460 ננומטר, 0.7 mW / cm 2).
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול דמיין זה מדגים את היכולת לפקח על ההיווצרות של מיצלות דמוית תולעת פשוט על ידי התבוננות הופעת ההתנהגות דמוית ג'ל. השירות של גישה זו טמון ביכולת לפקח היווצרות תולעת במהלך פילמור בהשוואה לשיטות אחרות. הליך זה יכול להתבצע באמצעות פילמור שני שלבים של שני מונומר?…
Disclosures
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 |
References
- 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).
