Síntesis de nanopartículas cilíndricas monodispersas mediante autoensamblaje basado en cristalización de copolímeros de bloques biodegradables
Summary
El autoensamblaje controlado por cristalización (CDSA) muestra la capacidad única de fabricar nanoestructuras cilíndricas de distribuciones de longitud estrecha. Se demuestra la polimerización de apertura de anillo organocatalizada de -caprolactona y las posteriores extensiones en cadena de metacrilato de metilo y N,N-dimetil acrilamida. Se describe un protocolo CDSA vivo que produce cilindros monodispersos de hasta 500 nm de longitud.
Abstract
La producción de micelas cilíndricas monodispersas es un desafío significativo en la química de polímeros. La mayoría de las construcciones cilíndricas formadas a partir de copolímeros dibloqueselos se producen mediante una de las tres técnicas: rehidratación de película delgada, conmutación de disolventes o autoensamblaje inducido por polimerización, y producen solo cilindros flexibles de polidisperso. El autoensamblaje impulsado por la cristalización (CDSA) es un método que puede producir cilindros con estas propiedades, estabilizando estructuras de curvatura más baja debido a la formación de un núcleo cristalino. Sin embargo, las técnicas de polimerización viva por las cuales se forman la mayoría de los bloques de formación de núcleos no son procesos triviales y el proceso CDSA puede producir resultados insatisfactorios si se lleva a cabo incorrectamente. Aquí se muestra la síntesis de nanopartículas cilíndricas a partir de reactivos simples. Se describe el secado y la purificación de los reactivos antes de una polimerización de apertura de anillo de la -caprolactona catalizada por fosfato de difenilo. Este polímero se extiende en cadena por metacrilato de metilo (MMA) seguido de N,N-dimetil acrilamida (DMA) utilizando la polimerización reversible de adición-transferencia de cadena de fragmentación (RAFT), proporcionando un copolímero tribloque que puede someterse a CDSA en Etanol. Se describe el proceso CDSA vivo, cuyos resultados producen nanopartículas cilíndricas de hasta 500 nm de longitud y una dispersión de longitud tan baja como 1.05. Se prevé que estos protocolos permitirán a otros producir nanoestructuras cilíndricas y elevar el campo de la CDSA en el futuro.
Introduction
Las nanoestructuras unidimensionales (1D), como cilindros, fibras y tubos, han atraído cada vez más atención en una variedad de campos. Entre ellos, su popularidad en la ciencia de polímeros se debe a su rica variedad de propiedades. Por ejemplo, Geng y otros demostraron que los filomicenos presentan un aumento de diez veces el tiempo de residencia en el torrente sanguíneo de un modelo de roedores en comparación con sus homólogos esféricos, y Won et al. revelaron que la fibra de polibutamideno-b-poli(óxido de etileno) las dispersiones muestran un aumento en el módulo de almacenamiento en dos órdenes de magnitud tras la reticulación del núcleo durante las mediciones reológicas1,2. Curiosamente, muchos de estos sistemas se sintetizan a través del autoensamblaje de copolímeros de bloques,ya sea a través de métodos más tradicionales de conmutación de disolventes y rehidratación de película delgada 3, o métodos más avanzados como métodos más avanzados como Autoensamblaje inducido por polimerización y autoensamblaje basado en cristalización (CDSA)4,5. Cada técnica tiene sus propias ventajas, sin embargo, sólo CDSA puede producir partículas rígidas con una distribución uniforme y controlable de la longitud.
El trabajo pionero de Gilroy et al. formó cilindros largos de poliferrocenylsilano b -polydimethylsiloxane (PFS-PDMS) en hexanos y, cuando se utiliza una sonicación leve, cilindros muy cortos con una dispersidad de baja longitud de contorno (Ln). Tras la adición de una masa predeterminada de cadenas de copolímero dibloque en un disolvente común, se sintetizaron cilindros de longitudes variables con una Ln tan bajas como 1,035,6. Los trabajos posteriores del grupo Manners destacaron el alto grado de control posible con el sistema PFS, que puede utilizarse para formar estructuras notablemente complejas y jerárquicas: células de bloque, bufanda en forma y micelas de mancuerna, por nombrar unos7, 8. A raíz de estas demostraciones, los investigadores investigaron otros sistemas más funcionales para la CDSA, incluidos: polímeros de productos básicos semicristalinos (polietileno, poli(-caprolactona), polilactida)9,10 ,11,12,13 y polímeros conductores (poli(3-hexylthiophene), poliselenofeno)14,15. Armados con esta caja de herramientas de sistemas de copolímero dibloque que se pueden montar de forma rápida y eficiente, los investigadores han llevado a cabo investigaciones más basadas en aplicaciones en los últimos años16. Jin et al. han demostrado longitudes de difusión de excidores en los cientos de nanómetros en copolímeros de bloque de politiofeno y nuestro grupo demostró la formación de geles a partir de poli(o-caprolactone) (PCL) que contiene construcciones cilíndricas10, 17.
Aunque es una técnica poderosa, CDSA tiene sus limitaciones. Los copolímeros de bloque deben tener un componente semicristalino, así como valores de baja dispersidad y fideidades de grupo de gama alta; contaminantes de bloques de orden inferior pueden causar agregación de partículas o inducir cambios morfológicos18,19. Debido a estas restricciones, se utilizan polimerizaciones vivas. Sin embargo, se requieren importantes procedimientos de purificación de reactivos, secado y ambientes libres de agua/oxígeno para lograr polímeros con las propiedades antes mencionadas. Se ha intentado diseñar sistemas que superen esto. Por ejemplo, se han formado copolímeros de bloque PFS utilizando la química de clics para acoplar cadenas de polímeros20. Aunque las nanopartículas cilíndricas resultantes han demostrado propiedades ejemplares, los copolímeros de bloque son típicamente purificados por cromatografía de exclusión de tamaño preparativo y la síntesis de SLP todavía requiere el uso de Polimerizaciones. Nuestro grupo recientemente se dio cuenta de la CDSA viva de PCL, cuyo éxito giró en torno al uso de polimerizaciones de apertura de anillo (ROP) catadas por organobase vivas y polimerizaciones reversibles de transferencia de cadena de fragmentación de adición (RAFT)10. Aunque este método es más simple, todavía se requieren polimerizaciones vivas.
A medida que el campo avanza hacia una investigación más orientada a la aplicación, y debido a los problemas asociados con las polimerizaciones vivas, se cree que un esquema de los protocolos de síntesis de polímeros y autoensamblaje será ventajoso para el trabajo científico futuro. Por lo tanto, en este manuscrito, se describe la síntesis completa y el autoensamblaje de un copolímero PCL-b-PMMA-b-PDMA. Las técnicas de secado se destacarán en el contexto de una ROP organocatalizada de -caprolactona y se esbozarán las posteriores polimerizaciones RAFT de MMA y DMA. Por último, se presentará un protocolo CDSA vivo para este polímero en etanol y se criticarán los errores comunes en los datos de caracterización debido a una mala técnica experimental.
Protocol
Representative Results
Discussion
Se ha descrito la síntesis y el CDSA vivo del copolímero tribloque PCL50-PMMA10-PDMA200. Aunque se requieren condiciones estrictas, la polimerización de apertura de anillo de la -caprolactona dio polímeros con excelentes propiedades que permitieron las extensiones de cadena exitosas de MMA y DMA. Estos polímeros tuvieron éxito en su auto-semilla, obteniendo una fase pura de micelas cilíndricas, que fueron sonicadas en partículas de semillas de LN 98 nm. A trav?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
No hay reconocimientos.
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).
