Elektroaktif Polimer nanopartiküller Sergileme Fototermal Özellikleri
Summary
A protocol is presented for the synthesis and preparation of nanoparticles consisting of electroactive polymers.
Abstract
A method for the synthesis of electroactive polymers is demonstrated, starting with the synthesis of extended conjugation monomers using a three-step process that finishes with Negishi coupling. Negishi coupling is a cross-coupling process in which a chemical precursor is first lithiated, followed by transmetallation with ZnCl2. The resultant organozinc compound can be coupled to a dibrominated aromatic precursor to give the conjugated monomer. Polymer films can be prepared via electropolymerization of the monomer and characterized using cyclic voltammetry and ultraviolet-visible-near infrared (UV-Vis-NIR) spectroscopy. Nanoparticles (NPs) are prepared via emulsion polymerization of the monomer using a two-surfactant system to yield an aqueous dispersion of the polymer NPs. The NPs are characterized using dynamic light scattering, electron microscopy, and UV-Vis-NIR-spectroscopy. Cytocompatibility of NPs is investigated using the cell viability assay. Finally, the NP suspensions are irradiated with a NIR laser to determine their effectiveness as potential materials for photothermal therapy (PTT).
Introduction
Elektroaktif polimerler elektrik alanı varlığında, bunların özelliklerini (renk, iletkenlik, reaktivite, hacim, vs.) değiştirebilir. Hızlı geçiş süreleri, ayarlanabilirliği, dayanıklılık, ve elektro polimerlerin hafif özellikleri alternatif enerji, sensörler, electrochromics ve biyomedikal cihazların dahil olmak üzere birçok teklif uygulamalara yol açmıştır. Elektroaktif polimerler, esnek, hafif pil ve kapasitör elektrotları gibi potansiyel yararlıdır. Elektrokromik cihazlar Elektroaktif polimerlerin 1 Uygulamalar bina ve otomobil, güneş gözlüğü, koruyucu gözlük, optik depolama aygıtları ve akıllı tekstiller için parlama azaltma sistemleri yer alır. 2-5 Akıllı pencere on-demand ışığın belirli dalga boylarını bloke ev ve otomobil iç koruyarak enerji ihtiyacını azaltabilir. Akıllı tekstiller UV ışınlarına karşı korunmasına yardımcı olmak için giyim kullanılabilir. 6 Elektroaktif polimerler als varO tıbbi cihazlar kullanılmaya başlanmıştır. Biyomedikal cihazlarda kullanılan elektro-polimerler arasında, polipirol (polipirol), polianilin (PANI) ve poli (3,4-etilendioksitiyofen) (PEDOT) en sık arasındadır. Örneğin, bu türde polimerlerin yaygın biyosensör cihazlarında dönüştürücüler olarak kullanılan terapötik teslimat 7 uygulamalar da söz göstermiştir.; çalışmalar, elektro-polimerlerden hazırlanan cihazlardan ilaçlar ve terapötik protein bırakılmasını göstermiştir. 8-12 Daha yakın zamanlarda, elektro-polimerler fototermal terapisinde terapötik maddeler olarak kullanılmıştır. 13-15 fototermal tedavisinde, fototermal maddeleri yakın ışık emmelidir Ayrıca ışık tipik olarak 1 cm'ye kadar. 16,17 Bu aralıkta, dokuda nüfuz maksimum derinliği terapötik pencere olarak bilinen -infrared (NUR) bölge (~ 700-900 nm), örneğin hemoglobin gibi biyolojik kromoforları oksijenli hemoglobin, lipidler, su var küçük-to-hayırIşık sağlayan absorbans kolayca nüfuz. Fototermal ajanlar terapötik pencere ışığı absorbe zaman photoenergy fototermal enerjisine dönüştürülür.
Negishi birleştirmesi kullanılarak sentezlendi bis-EDOT benzen monomerler ikame edilmiş alkoksi-Irvin ve arkadaşları, daha önce bildirilmiştir. 18 Negishi birleştirme karbon-karbon bağı oluşumu için tercih edilen bir yöntemdir. Bu işlem, daha az toksik olan ve diğer organometalikleri kullanılan daha yüksek bir reaktiviteye sahip olma eğilimindedir organoçinko ara maddelerin kullanımı dahil olmak üzere, pek çok avantajı, yer alır. 19,20 organoçinko terkipler, aynı zamanda organohalojenürleri üzerindeki işlevsel grupların çok sayıda ile uyumludur. 20 içinde Negishi birleştirme reaksiyonu, bir organohalide ve organometal bir palladyum (0) katalizörü kullanılarak kuple edilir. 20, burada sunulan çalışmada, bu enine birleştirme metodu (1,4-dialkoksi-2,5-bis sentezinde kullanılır 3,4-ethylenedioxythienyl) benzepiridin (BEDOT-B (OR) 2) monomer. Bu monomerler daha sonra kolayca biyomedikal uygulamalarda kullanım için umut verici adaylar olan polimerleri elde etmek üzere elektrokimyasal olarak ya da kimyasal olarak polimerize edilebilir.
Biyomedikal uygulamalar için sulu çözeltiler içinde kolloidal polimer süspansiyonların hazırlanması için geleneksel yöntemler, tipik olarak, poli NPs üretmek amacıyla nanoprecipitation ya da emülsiyon çözücü buharlaştırma teknikleriyle. 21,22, ardından kütle polimerlerin çözünmesini içerir () BEDOT-B (veya 2) NPS in situ emülsiyon polimerizasyonunda yoluyla sentezlenen nerede, aşağıdan yukarıya bir yaklaşım burada gösterilmiştir. Emülsiyon polimerizasyonu kolaylıkla ölçeklendirilebilir ve NP hazırlanması için nispeten hızlı bir yöntemdir bir süreçtir. Diğer elektroaktif polimerler NPs üretilmesi için emülsiyon polimerizasyonu kullanılarak 22 çalışmalar polipirol ve PEDOT rapor edilmiştir. 15,23,24 PEDOT NPler, örneğin, sprey, emülsiyon, s kullanılarak hazırlanmıştırolymerization. 24 Bu yöntem, yeniden zordur ve genellikle daha büyük bir mikron boyutlu parçacıklar elde edilir. Bu makalede açıklanan protokol tekrarlanabilir 100 nm polimer NPs hazırlamak için açılan sonikasyon yönteminin kullanımını araştırıyor.
Bu protokol, elektro-polimerler, daha önce bildirilen poli benzer NIR bölgesindeki ışığı absorbe uyarlanmış (BEDOT-B (OR) 2) sentezlenir ve elektrokromik cihazlar ve PTT ajanları olarak potansiyellerini göstermek için karakterize edilir. İlk olarak, Negishi birleştirme yoluyla monomer sentezi için protokolü tarif edilmektedir. Monomerler NMR ve UV-Vis-NIR spektroskopi kullanılarak karakterize edilir. Sulu ortam içinde oksidatif emülsiyon polimerizasyonu ile NP kolloid süspansiyonlarının hazırlanması da tarif edilmektedir. Prosedür daha önce Han ve ark., Farklı monomer uygulanır tarafından tanımlanan iki basamaklı bir emülsiyon polimerizasyon işlemi dayanır. İki yüzey aktif cismi sistemidirNP tekli dağılırlık kontrol etmek için kullanılır. Hücre canlılığı deneyi NPlerin hücre proliferasyonu değerlendirmek için kullanılır. Son olarak, PTT dönüştürücüler etmek için bu NPlerin potansiyeli NIR laser ışıma ile ortaya konmuştur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışmada, elektro-aktif, polimer NPler kanser tedavisi için potansiyel bir PTT maddeler olarak sentezlendi. NPlerin hazırlanması emülsiyon polimerizasyonu ile takip edilen her monomere sentezi ile başlayarak tarif edilmektedir. Örneğin EDOT ve pirrol gibi elektroaktif polimerler kullanılarak NPlerin hazırlanması daha önce tarif edilmiş olmakla beraber, bu çalışma polimer NPlerin hazırlanması, benzersiz bir genişletilmiş konjügasyon monomerler ile başlayarak bu işlem büyük, daha karmaşık …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Teksas Gelişen Teknoloji Fonu (TB Başlangıç), Teksas Eyalet Üniversitesi Araştırma Geliştirme Programı, Texas State University Doktora Araştırma Bursu (TC'ye), Malzeme Araştırma ve Eğitim NSF Ortaklığı (PREM tarafından finanse edildi DMR-1205670), Sağlık Welch Vakfı (AI-0045) ve National Institutes (R01CA032132).
Materials
| 2 mm diameter platinum working electrode | CH Instruments | CH102 | Polished using very fine sandpaper |
| 3,4-ethylenedioxythiophene | Sigma-Aldrich | 483028 | Purified by vacuum distillation |
| 3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-Diphenyltetrazolium Bromide (MTT) 98% | Alfa Aesar | L11939 | |
| 505 Sonic Dismembrator | Fisher Scientific™ | FB505110 | 1/8 “ tip and rated at 500 watts |
| 808 nm laser diode | ThorLabs | L808P1WJ | Rated at 1 W |
| Acetonitrile anhydrous 99% | Acros | 61022-0010 | |
| Avanti J-26 XPI | Beckman Coulter | 393127 | |
| Bromohexane 98% | MP Biomedicals | 202323 | |
| Dialysis (100,000) MWCO | SpectrumLabs | G235071 | |
| Dimethyl sulfoxide 99% (DMSO) | BDH | BDH1115 | |
| Dimethylformamide anhydrous (DMF) 99% | Acros | 326870010 | |
| Dodecyl benzenesulfonate (DBSA) | TCI | D0989 | |
| Dulbecco’s modified eagle medium (DMEM) | Corning | 10-013 CV | |
| EMS 150 TES sputter coater | Electron Microscopy Sciences | ||
| Ethanol (EtOH) 100% | BDH | BDH1156 | |
| ethyl 4-bromobutyrate (98%) | Acros | 173551000 | |
| Ethyl acetate 99% | Fisher | UN1173 | |
| Fetal bovine serum (FBS) | Corning | 35-010-CV | |
| Helios NanoLab 400 | FEI | ||
| Hexane | Fisher | H306-4 | |
| Hydrochloric acid (HCl) | Fisher | A142-212 | |
| Hydroquinone 99.5% | Acros | 120915000 | |
| Hydrozine anhydrous 98% | Sigma-Aldrich | 215155 | |
| Indium tin oxide (ITO) coated galss | Delta Technologies | CG-41IN-CUV | 4-8 Ω/sq |
| Iron chloride 97% FeCl3 | Sigma-Aldrich | 157740 | |
| Magnesium sulfate (MgSO4) | Fisher | 593295 | Dried at 100 oC |
| SKOV-3 | ATCC | HTB-26 | |
| Methanol | BDH | BHD1135 | |
| n-Butlithium (2.5 M) | Sigma-Aldrich | 230707 | Pyrophoric |
| Poly(styrenesulfonate-co-malic acid) (PSS-co-MA) 20,000 MW | Sigma-Aldrich | 434566 | |
| Potassium carbonate | Sigma-Aldrich | 209619 | Dried at 100 oC |
| Potassium hydroxide | Alfa Aesar | A18854 | |
| Potassium iodide | Fisher | P410-100 | |
| RO-5 stirplate | IKA-Werke | ||
| SC4000 IR camera | FLIR | ||
| Synergy H4 Hybrid Reader | Biotek | ||
| Tetrabutylammonium perchlorate (TBAP) 99% | Sigma-Aldrich | 3579274 | Purified by recrystallization in ethyl acetate |
| Tetrahydrofuran anhydrous (THF) 99% | Sigma-Aldrich | 401757 | |
| tetrakis(triphenylphosphine) palladium(0) |
Sigma-Aldrich | 216666 | Moisture sensitive |
| Thermomixer | Eppendorf | ||
| USB potentiostat/galvanostat | WaveNow | AFTP1 | |
| Zetasizer Nano Zs | Malvern | Optical Arrangment 175o | |
| Zinc chloride (1 M) ZnCl2 | Acros | 370057000 |
References
- Irvin, J., Irvin, D., Stenger-Smith, J. Electrically active polymers for use in batteries and supercapacitors. Handbook of Conducting Polymers. , (2007).
- Amb, C. M., Dyer, A. L., Reynolds, J. R. Navigating the color palette of solution-processable electrochromic polymers. Chemistry of Materials. 23 (3), 397-415 (2011).
- Beaujuge, P. M., Reynolds, J. R. Color control in pi-conjugated organic polymers for use in electrochromic devices. Chemical Reviews. 110 (1), 268-320 (2010).
- Ananthakrishnan, N., Padmanaban, G., Ramakrishnan, S., Reynolds, J. R. Tuning polymer light-emitting device emission colors in ternary blends composed of conjugated and nonconjugated polymers. Macromolecules. 38 (18), 7660-7669 (2005).
- Zhu, Y., Otley, M. T., et al. Neutral color tuning of polymer electrochromic devices using an organic dye. Chemical Communications, Cambridge, England. 50 (60), 8167-8170 (2014).
- Kline, W. M., Lorenzini, R. G., Sotzing, G. A. A review of organic electrochromic fabric devices. Coloration Technology. 130 (2), 73-80 (2014).
- Gerard, M., Chaubey, A., Malhotra, B. D. Application of conducting polymer to biosensors. Biosensors & Bioeletronics. 17, 345-359 (2002).
- Abidian, M. R., Kim, D. -. H., Martin, D. C. Conducting-polymer nanotubes for controlled drug release. Advanced materials. 18 (4), 405-409 (2006).
- Ge, D., Qi, R., et al. A self-powered and thermally-responsive drug delivery system based on conducting polymers. Electrochemistry Communications. 12 (8), 1087-1090 (2010).
- George, P. M., LaVan, D. A., Burdick, J. A., Chen, C. -. Y., Liang, E., Langer, R. Electrically controlled drug delivery from biotin-doped conductive polypyrrole. Advanced Materials. 18 (5), 577-581 (2006).
- Li, Y., Neoh, K. G., Kang, E. T. Controlled release of heparin from polypyrrole-poly(vinyl alcohol) assembly by electrical stimulation. Journal of biomedical materials research. Part A. 73 (2), 171-181 (2005).
- Svirskis, D., Travas-Sejdic, J., Rodgers, A., Garg, S. Electrochemically controlled drug delivery based on intrinsically conducting polymers. Journal of controlled release: official journal of the Controlled Release Society. 146 (1), 6-15 (2010).
- Cheng, L., Yang, K., Chen, Q., Liu, Z. Organic stealth nanoparticles for highly effective in vivo near-infrared photothermal therapy of cancer. ACS Nano. 6 (6), 5605-5613 (2012).
- Chougule, M. A. Synthesis and characterization of polypyrrole (PPy) thin films. Soft Nanoscience Letters. 01 (01), 6-10 (2011).
- Yang, K., Xu, H., Cheng, L., Sun, C., Wang, J., Liu, Z. In vitro and in vivo near-infrared photothermal therapy of cancer using polypyrrole organic nanoparticles. Advanced materials. 24 (41), 5586-5592 (2012).
- Diniz, S. N., Sosnik, A., Mu, H., Valduga, C. J. Nanobiotechnology. BioMed research international. 2013, (2013).
- Weissleder, R. A Clearer Vision for in vivo Imaging. Nature Biotechnology. , (2001).
- Irvin, J., Reynolds, J. Low-oxidation-potential conducting polymer: alternating substituted para-phenylene and 3,4-ethylenedioxythiophene repeat units. Polymer. 39 (11), 2339-2347 (1998).
- Yang, Y., Oldenhius, N., Buchwald, S. Mild and general condition for Negishi cross-coupling enabled by the use of palladacycle percatalysts. Angew Chem. 29 (6), 997-1003 (2012).
- Negishi, E., Hu, Q., Huang, Z., Qian, M., Wang, G. The Negishi Coupling: an update: Enantiopure sulfoxides and sulfinamides. New products from Aldrich R & D. Aldrichchimica Acta. 38 (3), (2005).
- Bilati, U., Allémann, E., Doelker, E. Development of a nanoprecipitation method intended for the entrapment of hydrophilic drugs into nanoparticles. European Journal of Pharmaceutical Sciences. 24 (1), 67-75 (2005).
- Nagavarma, B. V. N., Yadav, H. K. S., Ayaz, A., Vasudha, L. S., Shivakumar, H. G. Different techniques for preparation of polymeric nanopaticles-A review. Asian Journal of Pharaceutical and Clinical Research. 5 (3), 16-23 (2012).
- Vaitkuviene, A., Kaseta, V., et al. Evaluation of cytotoxicity of polypyrrole nanoparticles synthesized by oxidative polymerization. Journal of Hazardous Materials. 250-251, 167-174 (2013).
- Han, Y. K., Yih, J. N., et al. Facile synthesis of aqueous-dispersible nano-PEDOT:PSS-co-MA core/shell colloids through spray emulsion polymerization. Macromolecular Chemistry and Physics. 212 (4), 361-366 (2011).
- Winkel, K. L., Carberry, J. R., Irvin, J. A. Synthesis and electropolymerization of 3,5-bis-(3,4-ethylenedioxythien-2-yl)-4,4-dimethyl isopyrazole: A donor-acceptor-donor monomer. Journal of the Electrochemical Society. 160 (8), G111-G116 (2013).
- Hoye, T., Eklov, B., Voloshin, M. No-D NMR spectroscopy as a convenient method for titering. Organic Letters. 6 (15), 2567-2570 (2004).
- Umezawa, K., Oshima, T., Yoshizawa-Fujita, M., Takeoka, Y., Rikukawa, M. Synthesis of hydrophilic-hydrophobic block copolymer ionomers based on polyphenylenes. ACS Macro Letters. 1 (8), 969-972 (2012).
- Tao, Z., Fan, H., Zhou, J., Jin, Q. Conjugated polyelectrolyte with pendant caboxylate groups: synthesis, photophysics, and pH responses in the presence of surfactants. Journal of Polymer Science Part A-Polymer Chemistry. 46 (3), 830-843 (2008).
- Winkel, K. L., Carberry, J. R., et al. Donor-acceptor-donor polymers utilizing pyrimidine-based acceptors. Reactive & Functional Polymers. 83, 113-122 (2014).
- Kròl, E., Scheffers, D. -. J. FtsZ polymerization assays: simple protocols and considerations. Journal of Visualized Experiments : JoVE. (81), e50844 (2013).
- Zolnik, B., Potter, T. M., Stern, S. T. Zeta potential measurement. Methods in Molecular Biology. 697, 173-179 (2011).
- Nogi, K., Naito, M., Yokoyama, T. . Nanoparticle technology handbook. , (2012).
- Pattani, V. P., Tunnell, J. W. Nanoparticle-mediated photothermal therapy: A comparative study of heating for different particle types. Lasers in Surgery and Medicine. 44 (8), 675-684 (2012).
- Subianto, S., Will, G. D., Kokot, S. Templated electropolymerization of pyrrole in a capillary. Journal of Polymer Science, Part A: Polymer Chemistry. 41 (12), 1867-1869 (2003).
- Sgouras, D., Duncan, R. Methods for the evaluation of biocompatibility of soluble synthetic polymers which have potential for biomedical use: use of the tetrazolium-based colorimetric assay (MTT) as a preliminary screen for evaluation of in vitro cytotoxicity. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 1 (2), 61-68 (1990).
- Ahmadian, S., Barar, J., Saei, A. A., Fakhree, M. A. A., Omidi, Y. Cellular toxicity of nanogenomedicine in MCF-7 cell line: MTT assay. Journal of Visualized Experiments : JoVE. (26), (2009).
- Huang, X., Kang, B., et al. Comparative study of photothermolysis of cancer cells with nuclear-targeted or cytoplasm-targeted gold nanospheres: continuous wave or pulsed lasers. Journal of Biomedical Optics. 15 (5), 058002 (2015).
