Facile Syntes av maskliknande Miceller med synligt ljus medierad dispersionspolymerisation Använda 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
Syntesen av icke-sfäriska (och andra) nanopartiklar morfologier har traditionellt åstadkommits med användning av en flerstegssjälvmonteringsproceduren börjar med syntesen och reningen av väldefinierad amfifila disegment (eller multiblock) sampolymerer. En av de vanligaste självmonteringstekniker populariserades av Eisenberg på 1990-talet och involverar upplösningen av den amfifila blocksampolymeren i ett gemensamt lösningsmedel för båda polymersegment, följt av långsam tillsats av ett lösningsmedel selektivt för ett av blocken 1-3 . Som det selektiva lösningsmedlet (typiskt vatten) tillsätts, genomgår segmentsampolymeren självsammansättning för att bilda polymera nanopartiklar. Den slutliga morfologin (eller blandningar av morfologier) av nanopartiklar bestäms av ett stort antal faktorer, såsom de relativa längderna hos varje polymersegment, hastighet för vattentillsats och arten av den gemensamt lösningsmedel. Emellertid detta tillvägagångssätt i allmänhet endast medger framställning av nanoparlarna vid relativt låg fastämneshalt (mindre än 1 vikt-%) och så begränsar dess praktiska skalbarhet 4. Dessutom kan den reproducerbara bildningen av "mellanliggande" faser såsom maskliknande miceller vara svåra på grund av snävt område av parametrar som krävs för att stabilisera denna icke-sfärisk morfologi 5.
Polymerisationen-inducerad självorganisering (PISA) tillvägagångssätt tar delvis nackdelarna i Eisenberg strategi genom att utnyttja själva polymerisationsförfarandet för att driva självorganisering in situ möjliggör nanopartiklar syntes vid mycket högre torrhalt (typiskt 10-30 vikt%) 6 -8. I en typisk PISA tillvägagångssätt, är ett levande polymerisationsförfarande som används för att kedjeförlänga ett lösningsmedel lösligt makroinitiator (eller makro CTA) med en monomer som är initialt lösligt i reaktionsmediet utan bildar en olöslig polymer. PISA tillvägagångssätt har använts för att syntetisera maskliknande miceller genom att systematiskt testa ett antal ex perimental parametrar och med hjälp av detaljerade fasdiagram som en syntetisk "färdplan" 5,9.
Trots deras utmanande syntes, det finns ett stort intresse för maskliknande nanopartiklar på grund av deras intressanta egenskaper i förhållande till deras sfäriska motsvarigheter. Till exempel har vi visat att läkemedelsladdade korta och långa maskliknande miceller syntetiserade med hjälp av en PISA tillvägagångssätt har betydligt högre cytotoxicitet in vitro jämfört med sfäriska miceller eller blåsor 10. Andra har visat ett samband mellan nanopartiklar bildformat och blodcirkulationstiden i in vivo-modeller 11. Andra har visat att syntes av maskliknande nanopartiklar med användning av en lämplig PISA metodik ger en makroskopisk gel på grund av den nanoskala intrassling av nanopartiklar filamenten. Dessa geler har visat potential som steriliserbara geler på grund av deras termoreversibel sol-gel beteende 12.
INNEHÅLL "> Detta protokoll beskriver en metod gör det möjligt att in situ-övervakning av bildandet av maskliknande miceller genom att helt enkelt observera lösningens viskositet under polymerisationen. Tidigare studier av liknande maskliknande micellära geler har visat att över en kritisk temperatur, dessa nanopartiklar undergår en reversibel snäck-sfär övergång och så bilda fririnnande dispersioner vid förhöjda temperaturer. hittills har dessa system utnyttjas ett värmekänsligt azoförening för att initiera den styrda polymerisationen 13,14 och så gelning inte utan vidare kan observeras i dessa system under den termiska polymerisationen. från dessa studier visade det hypotesen att syntetisera PISA härledda nanopartiklar vid lägre temperaturer kan tillåta observation av denna gel beteende på plats.Nyligen rapporterade vi användningen av en facile rumstemperatur fotopolymerisation teknik för att mediera PISA processen för erhållande av nanopartiklar avolika morfologier 15. Här används en visualiserad Protokollet presenteras för reproducerbar syntes av maskliknande miceller genom att observera viskositetsbeteende lösningen under polymerisationen. Dispersionen polymerisationen fortskrider lätt användning av kommersiellt tillgängliga Ijusemitterande dioder (LED) (λ = 460 nm, 0,7 mW / cm 2).
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta visualiseras protokoll visar förmågan att övervaka bildningen av maskliknande miceller helt enkelt genom att man observerar uppkomsten av gel-liknande beteende. Användbarheten av detta tillvägagångssätt ligger i förmågan att övervaka mask bildning under polymerisationen i jämförelse med andra metoder. Denna procedur kan utföras med användning av ett två-stegs-polymerisation av två kommersiellt tillgängliga monomerer (OEGMA och BzMA) för att ge själv monterade POEGMA- b -PBzMA amfifila d…
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).
