전기 활성 고분자 나노 입자 출전 광열 등록
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
전기 활성 중합체는 전계의 존재 하에서 이들 특성 (색, 전도도, 반응성, 볼륨, 등)을 변경. 빠른 스위칭 시간, 조정 기능, 내구성 및 전기 활성 고분자의 경량 특성을 대체 에너지, 센서, electrochromics, 생물 의학 장치를 포함하여 많은 제안 응용 프로그램을 주도하고있다. 전기 활성 고분자는 유연성, 경량 배터리와 커패시터 전극 잠재적으로 유용하다. 전기 장치에 전기 활성 고분자의 1 개 건물, 자동차, 선글라스, 보호 안경, 광학 저장 장치, 스마트 섬유에 대한 눈부심 감소 시스템을 포함한다. 2-5 스마트 윈도우는 온 디맨드 빛의 특정 파장을 차단하고 집과 자동차의 내부를 보호하여 에너지 요구 사항을 줄일 수 있습니다. 스마트 섬유는 자외선에 대한 보호하기 위해 의류에 사용할 수있다. (6) 전기 활성 고분자는 루게릭 병을 가지고O 의료 기기에 사용되기 시작. 생체 의학 장치에 사용되는 전기 활성 고분자 중에서도, 폴리피롤 (PPy) 계로 이루어 지거나, 폴리아닐린 (PANI) 및 폴리 (3,4- 에틸렌 디옥 시티 오펜) (PEDOT)이 가장 일반적인들이다. 예를 들어, 이러한 유형의 중합체는 일반적으로 바이오 센서 소자의 센서로서 사용되는 치료 용 전달 7 응용 가능성을 또한 보여 주었다.; 연구는 전기 활성 고분자로부터 제조 장치에서 약물과 치료 단백질의 방출을 보여 주었다. 8-12 최근 전기 활성 폴리머는 광열 치료에 치료제로서 사용되어왔다. 13-15 광열 치료에, 광열 에이전트 근처에서 광을 흡수해야 또한 일반적으로 광이 1cm까지. (16, 17)이 범위, 조직 침투 깊이가 최대 치료 창으로 알려진 – 적외선 (NIR) 영역 (~ 700-900 ㎚), 헤모글로빈 등의 생물학적 발색단 산소화 헤모글로빈, 지질 및 물이 거의없는 투빛을 흡수 할 수 있습니다 쉽게 침투한다. 광열 치료 요원이 창에서 빛을 흡수하면, photoenergy은 광열 에너지로 변환된다.
네기시 커플 링을 이용하여 합성 하였다 비스 벤젠 EDOT 단량체, 치환 알콕시 어빈과 동료들은 이전에보고했다. 18 네기 결합은 탄소 – 탄소 결합 형성을위한 바람직한 방법이다. 이 프로세스는 덜 독성 및 다른 유기 금속을 사용보다 높은 반응성을 갖는 경향이 유기 아연 중간체의 사용을 포함하여 많은 장점을 갖는다. 19,20 유기 아연 화합물과 같은 유기 할 작용기의 광범위와 호환된다. (20)에서 네기시 커플 링 반응이, 오르 가노 할라이드 및 유기 금속은 팔라듐 (0) 촉매의 사용을 통해 연결된다. (20) 본원에 제시된 일,이 가교 결합 방법은 (1,4- 디 알콕시 -2,5- 비스의 합성에 이용된다 3,4-ethylenedioxythienyl) – 벤젠NE (BEDOT-B (OR) 2) 단량체. 이들 단량체는 용이하게 생물 의학 응용에 사용하기위한 유망한 후보 중합체를 수득 전기 화학적 또는 화학적으로 중합 될 수있다.
생체 의학 애플리케이션 수용액 콜로이드 중합체 현탁액의 제조를위한 종래의 방법은 일반적으로 폴리 NP에 제조하기 위해서는 nanoprecipitation 또는 에멀젼 용매 증발 기술에 의해. 21,22이어서 벌크 중합체의 용해에 수반 () BEDOT-B (OR 2) NPS 값 시츄 에멀젼 중합을 통해 합성되는 경우, 상향식 접근법은 여기에 설명된다. 에멀젼 중합이 쉽게 확장되고 NP 준비를위한 비교적 빠른 방법이다 공정이다. 다른 전기 활성 폴리머 NPS를 생성하기 에멀젼 중합을 이용하여 22 연구가 된 PPy과 PEDOT에 대해보고되었다. 15,23,24 PEDOT NP는, 예를 들면, 스프레이 에멀젼 (P)을 사용하여 제조 된olymerization. (24)이 방법을 재현하는 것이 곤란하며, 일반적으로 큰 미크론 사이즈의 입자를 산출한다. 이 문서에서 설명하는 프로토콜은 재현성 100 나노 고분자 NPS를 준비하는 드롭 초음파 방법의 사용을 탐구한다.
이 프로토콜에서, 전기 활성 중합체는 이전에보고 된 폴리 유사한 NIR 영역에서 빛을 흡수하기 위해 원단 (BEDOT-B (OR)를 2) 합성 및 전기 장치와 PTT 에이전트로 자신의 잠재력을 입증하기 위해 특징으로한다. 우선, 네기시 커플 링에 의해 단량체의 합성을위한 프로토콜이 설명된다. 단량체는 NMR 및 UV-힘 근적외선 분광법을 사용하여 특징이다. 수성 매질에서 산화 에멀젼 중합을 통해 NP 콜로이드 현탁액의 제조 또한 기술되어있다. 절차는 이전 한 동부 등. 다른 단량체에 적용하여 설명 두 단계 에멀젼 중합 공정에 기초한다. 두 활성제 시스템이다NP의 단 분산을 제어하기 위해 사용된다. 세포 생존력 분석법 된 NP의 cytocompatibility을 평가하는 데 사용된다. 마지막으로, PTT 변환기로서 작용하는 이들의 NP에 전위 NIR 레이저 조사에 의해 증명된다.
Protocol
Representative Results
Discussion
본 연구에서는 전기 활성 고분자 된 NP는 암 치료에 대한 잠재적 인 PTT 에이전트로 합성되었다. NP에의 제조는 에멀젼 중합 한 후 모노머의 합성을 시작으로 설명한다. 이러한 EDOT 및 피롤 같은 전기 활성 고분자를 이용한 된 NP의 제조 이전에 설명되었지만,이 논문은 중합 된 NP의 제조는, 고유의 확장 공액 단량체로 시작하는이 방법은 더 크고 복잡한 단량체로 확장 될 수 있음을 보여주는 설명한다…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은, 텍사스 신흥 기술 기금 (TB의 시작), 텍사스 주립 대학 연구 증진 프로그램, 텍사스 주립 대학 박사 연구 활동 (TC에), 재료의 연구 및 교육에 대한 NSF 파트너십 (프렘에 의해 부분적으로 투자되었다 DMR-1205670), 건강의 웰치 재단 (AI-0045) 및 국립 연구소 (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 |
Referências
- 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).
