Syntese af monodisperse cylindriske nanopartikler via krystallisation-drevet selv-samling af bionedbrydelige blok copolymerer
Summary
Krystallisation-drevet selv-samling (CDSA) viser den unikke evne til at fremstille cylindriske nanostrukturer af smalle længde fordelinger. Den organocatalyserede ring-åbnings polymerisering af ε-caprolacton og efterfølgende kæde forlængelser af methylmethacrylat og n, n-dimethylacrylamid påvises. En levende CDSA protokol, der producerer hydroxyapatitmonodisperst cylindre op til 500 nm i længden er skitseret.
Abstract
Produktionen af hydroxyapatitmonodisperst cylindriske miceller er en betydelig udfordring i polymer kemi. De fleste cylindriske konstruktioner dannet af diblok copolymerer er produceret af en af tre teknikker: tynd film rehydrering, opløsningsmiddel switching eller polymeriserings-induceret selv-samling, og producerer kun fleksible, polydispers cylindre. Krystallisation-drevet selv-samling (CDSA) er en metode, der kan producere cylindre med disse egenskaber, ved at stabilisere strukturer med en lavere krumning på grund af dannelsen af en krystallinsk kerne. De levende polymeriserings teknikker, hvorved de fleste kerne dannende blokke dannes, er imidlertid ikke trivielle processer, og CDSA-processen kan give utilfredsstillende resultater, hvis de udføres forkert. Her vises syntesen af cylindriske nanopartikler fra simple reagenser. Tørring og rensning af reagenser før en ring-åbning polymerisering af ε-caprolacton katalyseres af diphenyl fosfat er beskrevet. Denne polymer er derefter kæde forlænget med methylmethacrylat (MMA) efterfulgt af n, n-dimethyl acrylamid (DMA) ved hjælp af reversibel tilsætning − fragmentering kæde-Transfer (RAFT) polymerisering, der giver en triblokcopolymer copolymer, der kan underkastes CDSA i Ethanol. Den levende CDSA-proces er skitseret, hvis resultater giver cylindriske nanopartikler op til 500 nm i længden og en længde dispersitet så lav som 1,05. Det forventes, at disse protokoller vil give andre mulighed for at producere cylindriske nanostrukturer og løfte området for CDSA i fremtiden.
Introduction
Endimensionale (1D) nanostrukturer, såsom cylindre, fibre og rør, har høstet stigende opmærksomhed i en række forskellige områder. Blandt disse, deres popularitet i polymer videnskab skylder deres rige forskellige egenskaber. F. eks. demonstrerede Geng et al., at filomicelles udviser en tifold stigning i opholdstiden i blodbanen af en gnaver model sammenlignet med deres sfæriske modstykker, og Won et al. afslørede, at polybutadien-b-poly (ethylenoxid) fiber dispersioner viser en stigning i lager modulus ved to størrelsesordener ved Cross Linking af kernen under rheologiske målinger1,2. Interessant, mange af disse systemer er syntetiseret via selv-samling af blok Copolymerer, om dette være gennem mere traditionelle metoder til opløsningsmiddel switching og tynd-film rehydrering3, eller mere avancerede metoder såsom polymerisation-induceret selv-samling og krystallisation-drevet selv-samling (CDSA)4,5. Hver teknik har deres egne fordele, men kun CDSA kan producere stive partikler med en ensartet og kontrollerbar længde fordeling.
Pionerarbejde af Gilroy et al. dannet lange polyferrocenylsilane-b-Polydimethylsiloxan (PFS-PDMS) cylindre i hexaner og, når du bruger mild sonikering, meget korte cylindre med lav kontur længde dispersitet (Ln). Ved tilsætning af en forudbestemt masse diblok copolymer-kæder i et fælles opløsningsmiddel, blev cylindere af varierende længder med en Ln så lav som 1,03 synteseret5,6. Yderligere arbejde af Manners gruppen fremhævede den høje grad af kontrol muligt med PFS system, som kan bruges til at danne bemærkelsesværdigt komplekse og hierarkale strukturer: blok-Co-miceller, tørklæde formet og håndvægt miceller at nævne nogle få7, 8. efter disse demonstrationer undersøgte forskerne andre, mere funktionelle systemer til CDSA, herunder: semi-krystallinske råvare polymerer (polyethylen, poly (ε-caprolacton), polylactide)9,10 ,11,12,13 og ledende polymerer (poly (3-hexylthiophene), polyselenophene)14,15. Bevæbnet med denne værktøjskasse af diblok copolymer-systemer, der kan samles hurtigt og effektivt, har forskerne udført mere applikations drevet forskning i de seneste år16. Jin et al. har påvist exciton diffusion længder i hundredvis af nanometer i polythiophen blok copolymerer og vores gruppe påvist dannelsen af geler fra poly (ε-caprolacton) (PCL) indeholdende cylindriske konstruktioner10, af 17.
Selv om det er en kraftfuld teknik, CDSA har sine begrænsninger. Blok copolymerer skal have en semi-krystallinsk komponent, samt lav dispersitet værdier og høje ende gruppe fidelities; mindre forurenende stoffer kan forårsage partikel aggregering eller inducere morfologi ændringer18,19. På grund af disse begrænsninger anvendes levende polymeriseringer. Dog er væsentlige reagens rensning, tørring procedurer og vand/ilt fri miljøer er nødvendige for at opnå polymerer med de førnævnte egenskaber. Der er gjort forsøg på at designe systemer, der overvinder dette. For eksempel, PFS blok copolymerer er blevet dannet ved hjælp af klik kemi til par polymer kæder sammen20. Selv om de resulterende cylindriske nanopartikler har vist eksemplariske egenskaber, er blok copolymerer typisk renset ved præparativ størrelse udelukkelse kromatografi og syntesen af PFS stadig kræver brug af levende anioniske polymerisationer. Vores gruppe for nylig indså den levende CDSA af PCL, hvis succes kredsede om ved hjælp af både levende organobase-katalyserede ring-åbning polymeriseringer (ROP) og reversible addition-fragmentering kæde overførsel (RAFT) polymeriseringer10. Selv om denne metode er enklere, levende polymeriseringer er stadig påkrævet.
Da feltet bevæger sig i retning af mere applikations drevet forskning, og på grund af de problemer, der er forbundet med levende polymeriseringer, menes det, at en skitse af polymer syntese og selv-samling protokoller vil være fordelagtigt for fremtidige videnskabelige arbejde. Således skitseres i dette manuskript den komplette syntese og selvsamling af en PCL-b-PMMA-b-pdma copolymer. Tørring teknikker vil blive fremhævet i forbindelse med en organocatalyseret ROP af ε-caprolacton og de efterfølgende RAFT polymeriseringer af MMA og DMA vil blive skitseret. Endelig vil en levende CDSA protokol for denne polymer i ethanol blive præsenteret og fælles fejl i karakterisering data på grund af dårlig eksperimentel teknik vil blive critiqued.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den syntese og levende CDSA af triblokcopolymer copolymer PCL50-PMMA10-pdma200 er blevet skitseret. Selv om der kræves strenge betingelser, den ring-åbning polymerisering af ε-caprolacton gav polymerer med fremragende egenskaber, der gjorde det muligt for vellykkede kæde forlængelser af MMA og DMA. Disse polymerer var vellykkede i deres selv-såning, opnåelse af en ren fase af cylindriske miceller, som blev soniseret i frø partikler af LN 98 nm. Ved simpel tils?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Der er ingen anerkendelser.
Materials
| 2,2'-azobisisobutyrnitrile | Sigma Aldrich | ||
| 250 mL ampoule | |||
| 250 mL two neck RBF | |||
| Ampoule (25 mL) | |||
| B19 tap | |||
| B24 stopper | |||
| Basic Alumina | Fluka | ||
| Buchner Flask | |||
| Buchner Funnel | |||
| Caclium Hydride | |||
| Cannulae | |||
| caprolactone | Arcos Organics | ||
| Chain Transfer Agent | Made in House | ||
| Conical Flask (multiple sizes) | |||
| Dessicator | |||
| Diethyl Ether | Merck | ||
| Dioxane | Fisher | ||
| diphenylphosphate | Sigma Aldrich | ||
| Distillation Condenser | |||
| Ethanol | Fisher | ||
| Filter Paper (multiple sizes) | |||
| Gel Permeation Chrmoatography Instrument | Agilent Technologies Infinity 1260 II | Running DMF at 50 °C | |
| Glovebox | Mbraun, Unilab | ||
| Hotplate | IKA, RCT basic | ||
| Mercury Thermometer | |||
| Methyl Methacrylate | Sigma Aldrich | ||
| Molecular seives | Fisher | MS/1030/53 | |
| N,N-dimethyl acrylamide | Sigma Aldrich | ||
| NMR spectrometer | Bruker 400 MHz | ||
| Phosphorus pentoxide | Sigma Aldrich | ||
| RBF (multiple sizes) | |||
| Schlenk Cap (B24) | |||
| Schlenk Flask (250 mL) | |||
| Schlenk Line | |||
| Sonication Probe | Bandelin Sonoplus | ||
| Suba Seal (multiple sizes) | |||
| TEM grids | EmResolutions, Formvar/carbon film 300 mesh copper | ||
| THF | Merck | ||
| three neck adaptor | |||
| Toluene | Fisher | ||
| Transmission Electron Microscope | Jeol 2100 |
References
- Geng, Y., et al. Shape effects of filaments versus spherical particles in flow and drug delivery. Nature Nanotechnology. 2, 249 (2007).
- Won, Y. -. Y., Davis, H. T., Bates, F. S. Giant Wormlike Rubber Micelles. Science. 283 (5404), 960-963 (1999).
- Mai, Y., Eisenberg, A. Self-assembly of block copolymers. Chemical Society Reviews. 41 (18), 5969-5985 (2012).
- Charleux, B., Delaittre, G., Rieger, J., D’Agosto, F. Polymerization-Induced Self-Assembly: From Soluble Macromolecules to Block Copolymer Nano-Objects in One Step. Macromolecules. 45 (17), 6753-6765 (2012).
- Gilroy, J. B., et al. Monodisperse cylindrical micelles by crystallization-driven living self-assembly. Nature Chemistry. 2, 566 (2010).
- Boott, C. E., et al. Probing the Growth Kinetics for the Formation of Uniform 1D Block Copolymer Nanoparticles by Living Crystallization-Driven Self-Assembly. ACS Nano. 12 (9), 8920-8933 (2018).
- Gädt, T., Ieong, N. S., Cambridge, G., Winnik, M. A., Manners, I. Complex and hierarchical micelle architectures from diblock copolymers using living, crystallization-driven polymerizations. Nature Materials. 8, 144 (2009).
- Wang, X., Guerin, G., Wang, H., Wang, Y., Manners, I., Winnik, M. A. Cylindrical Block Copolymer Micelles and Co-Micelles of Controlled Length and Architecture. Science. 317 (5838), (2007).
- Schöbel, J., Karg, M., Rosenbach, D., Krauss, G., Greiner, A., Schmalz, H. Patchy Wormlike Micelles with Tailored Functionality by Crystallization-Driven Self-Assembly: A Versatile Platform for Mesostructured Hybrid Materials. Macromolecules. 49 (7), 2761-2771 (2016).
- Arno, M. C., et al. Precision Epitaxy for Aqueous 1D and 2D Poly(ε-caprolactone) Assemblies. Journal of the American Chemical Society. 139 (46), 16980-16985 (2017).
- Sun, L., et al. Tuning the Size of Cylindrical Micelles from Poly(l-lactide)-b-poly(acrylic acid) Diblock Copolymers Based on Crystallization-Driven Self-Assembly. Macromolecules. 46 (22), 9074-9082 (2013).
- Fan, B., et al. Crystallization-driven one-dimensional self-assembly of polyethylene-b-poly(tert-butylacrylate) diblock copolymers in DMF: effects of crystallization temperature and the corona-forming block. Soft Matter. 12 (1), 67-76 (2016).
- He, W. -. N., Zhou, B., Xu, J. -. T., Du, B. -. Y., Fan, Z. -. Q. Two Growth Modes of Semicrystalline Cylindrical Poly(ε-caprolactone)-b-poly(ethylene oxide) Micelles. Macromolecules. 45 (24), 9768-9778 (2012).
- Patra, S. K., et al. Cylindrical Micelles of Controlled Length with a π-Conjugated Polythiophene Core via Crystallization-Driven Self-Assembly. Journal of the American Chemical Society. 133 (23), 8842-8845 (2011).
- Kynaston, E. L., Nazemi, A., MacFarlane, L. R., Whittell, G. R., Faul, C. F. J., Manners, I. Uniform Polyselenophene Block Copolymer Fiberlike Micelles and Block Co-micelles via Living Crystallization-Driven Self-Assembly. Macromolecules. 51 (3), 1002-1010 (2018).
- Rizis, G., Mvan de Ven, T. G., Eisenberg, A. Crystallinity-driven morphological ripening processes for poly(ethylene oxide)-block-polycaprolactone micelles in water. Soft Matter. 10 (16), 2825-2835 (2014).
- Jin, X. -. H., et al. Long-range exciton transport in conjugated polymer nanofibers prepared by seeded growth. Science. 360 (6391), (2018).
- Rizis, G., van de Ven, T. G. M., Eisenberg, A. “Raft” Formation by Two-Dimensional Self-Assembly of Block Copolymer Rod Micelles in Aqueous Solution. Angewandte Chemie International Edition. 53 (34), 9000-9003 (2014).
- Qiu, H., et al. Uniform patchy and hollow rectangular platelet micelles from crystallizable polymer blends. Science. 352 (6286), 701 (2016).
- Zhou, H., Lu, Y., Yu, Q., Manners, I., Winnik, M. A. Monitoring Collapse of Uniform Cylindrical Brushes with a Thermoresponsive Corona in Water. ACS Macro Letters. 7 (2), 166-171 (2018).
