Summary

Syntese av Monodisperse sylindriske nanopartikler via krystallisering-drevet selv montering av biologisk nedbrytbart Block Kopolymerer

Published: June 20, 2019
doi:

Summary

Krystallisering-drevet selv montering (CDSA) viser den unike evnen til å dikte opp sylindriske nanostrukturer av smale lengde distribusjoner. Organocatalyzed ring-åpning polymerisering av ε-caprolacton og påfølgende kjede utvidelser av metyl akrylat og n, n-dimethyl akrylamid er demonstrert. En levende CDSA-protokoll som produserer monodisperse sylindere opp til 500 NM i lengde er skissert.

Abstract

Produksjonen av monodisperse sylindriske miceller er en betydelig utfordring i polymer kjemi. Mest sylindriske konstruksjoner dannet fra diblokk kopolymerer er produsert av en av tre teknikker: tynn film rehydrering, løsemiddel veksling eller polymerisering-indusert selv-montering, og produserer bare fleksible, polydisperse sylindere. Krystallisering-drevet selv montering (CDSA) er en metode som kan produsere sylindere med disse egenskapene, ved å stabilisere strukturer av en lavere krumning på grunn av dannelsen av en krystallinsk kjerne. Imidlertid, det lever polymerisering teknikker av hvilke høyst Kjernen-danner avdelinger er dannet er ikke triviell prosesser og det CDSA forarbeide kanskje utbytte utilfredsstillende resultater hvis utført ukorrekt. Her vises syntesen av sylindriske nanopartikler fra enkle reagenser. Det er beskrevet en beskrivelse av tørking og rensing av reagenser før en ring-åpning polymerisering av ε-caprolacton katalysert av difenyleter fosfat. Dette polymer er deretter kjeden utvidet med metyl akrylat (MMA) etterfulgt av n, n-dimethyl AKRYLAMID (DMA) ved hjelp av reversibel tillegg − fragmentering kjede-overføring (RAFT) polymerisering, som har en triblock kopolymer som kan gjennomgå CDSA i Etanol. Den levende CDSA prosessen er skissert, resultatene av som gir sylindriske nanopartikler opp til 500 NM i lengde og en lengde polydispersjonen så lavt som 1,05. Det er forventet at disse protokollene vil tillate andre å produsere sylindriske nanostrukturer og heve feltet CDSA i fremtiden.

Introduction

En-dimensjonal (1D) nanostrukturer, for eksempel sylindere, fibre og rør, har fått økende oppmerksomhet i en rekke felt. Blant disse er deres popularitet i polymer vitenskap skyldte deres rike variasjon av eiendommer. For eksempel, Geng et al. demonstrert at filomicelles viser en ti/flere økning i oppholdstid i blodet av en gnager modell i forhold til sine sfæriske kolleger, og Won et al. avdekket at polybutadien-b-Poly (etylen oksid) fiber dispersjoner viser en økning i lagrings modul med to størrelsesordener ved Cross Linking av kjernen under reologiske målinger1,2. Interessant, mange av disse systemene er syntetisert via selv-montering av blokk kopolymerer, om dette være gjennom mer tradisjonelle metoder for løsemiddel veksling og tynn-film rehydrering3, eller mer avanserte metoder som polymerisering-indusert selv montering og krystallisering-drevet selv montering (CDSA)4,5. Hver teknikk har sine egne fordeler, men bare CDSA kan produsere stive partikler med en ensartet og kontrollerbar lengde distribusjon.

Banebrytende arbeid av Gilroy et al. dannet lange polyferrocenylsilane-b-POLYDIMETHYLSILOXAN (PFS-PDMS) sylindere i hexaner og, ved bruk av mild sonikering, svært korte sylindere med en lav kontur lengde Polydispersjonen (Ln). Ved tilsetning av en forhåndsbestemt masse av diblokk kopolymer kjeder i et felles løsemiddel, sylindere av varierende lengder med en Ln så lavt som 1,03 var syntetisert5,6. Videre arbeid av folkeskikk gruppen fremhevet høy grad av kontroll mulig med PFS-systemet, som kan brukes til å danne bemerkelsesverdig komplekse og hierarkisk strukturer: blokk-co-miceller, skjerf formet og manual miceller å nevne noen få7, 8. etter disse demonstrasjoner, forskere undersøkt andre, mer funksjonelle systemer for CDSA inkludert: semi-krystallinsk vare polymerer (polyetylen, Poly (ε-caprolacton), polylaktidbærer)9,10 ,11,12,13 og gjennomføring av polymerer (Poly (3-hexylthiophene), polyselenophene)14,15. Bevæpnet med denne verktøykassen av diblokk kopolymer systemer som kan monteres raskt og effektivt, har forskere gjennomført mer applikasjons drevet forskning de siste årene16.  Jin et al. har demonstrert exciton diffusjon lengder i hundrevis av nanometer i polythiofen blokk kopolymerer og vår gruppe demonstrerte dannelsen av gels fra Poly (ε-caprolacton) (PCL) inneholder sylindriske konstruksjoner10, 17av dem.

Selv om det er en kraftig teknikk, CDSA har sine begrensninger. Blokken kopolymerer må ha en semi-krystallinsk komponent, samt lave polydispersjonen verdier og høy end gruppe fidelities; nedre ordre blokk forurensninger kan forårsake partikkel aggregering eller indusere morfologi endringer18,19. På grunn av disse restriksjonene, er levende polymerisasjoner brukt. Imidlertid, betydelig reagens rensing, tørker prosedyrer og vann/oksygen ledig omgivelser er krevde for at oppnå polymerer med det nevnte eiendom. Det er gjort forsøk på å designe systemer som overvinner dette. For eksempel har PFS Block kopolymerer blitt dannet ved hjelp av Click kjemi til par polymer kjeder sammen20. Selv om de resulterende sylindriske nanopartikler har vist eksemplarisk egenskaper, er blokk kopolymerer vanligvis renset ved preparativ størrelses eksklusjon kromatografi og syntesen av PFS krever fortsatt bruk av levende anioniske polymerisasjoner. Vår gruppe nylig realisert den levende CDSA av PCL, suksessen som dreide seg om rundt ved hjelp av både levende organobase-katalysert ring-åpning polymerisasjoner (ROP) og reversibel tillegg-fragmentering kjede overføring (RAFT) polymerisasjoner10. Selv om denne metoden er enklere, er levende polymerisasjoner fortsatt nødvendig.

Som feltet beveger seg mot mer program-drevet forskning, og på grunn av problemene knyttet til levende polymerisasjoner, er det antatt at en skisse av polymer syntese og selv-montering protokoller vil være fordelaktig for fremtidig vitenskapelig arbeid. Således, i dette manuskriptet, den komplette syntese og selv montering av en PCL-b-PMMA-b-PDMA kopolymer er skissert. Tørking teknikker vil bli fremhevet i sammenheng med en organocatalyzed ROP av ε-caprolacton og påfølgende RAFT polymerisasjoner av MMA og DMA vil bli skissert. Endelig, en levende CDSA protokoll for denne polymer i etanol vil bli presentert og vanlige feil i karakterisering data på grunn av dårlig eksperimentell teknikk vil bli kritiserte.

Protocol

1. tørking av toluen Merk: Hvis du har tilgang til tørre løsningsmidler tårnene, samle toluen og Degas av fem fryse-pumpe-tine sykluser. Tørk 3 å molekylær sikter i en 250 mL Schlenk kolbe ved 250-300 ° c under vakuum for 48 h og Overfør til en glovebox. Tørk to ampuller i ovnen ved 150 ° c over natten og Overfør dem til glovebox. Overfør den aktiverte molekylære sikter inn i de to ampuller og Fjern fra glovebox. Tørk en to-hals rund-bunne…

Representative Results

PCL ble analysert av 1H NMR spektroskopi og gel gjennomtrengning KROMATOGRAFI (GPC). 1H NMR Spectrum ga en grad av polymerisering (DP) av 50, ved sammenligning av resonanser ved 3,36 ppm og 4,08 ppm, som tilsvarer ende gruppen etanol protoner og i-kjeden Ester α-protoner henholdsvis (figur 1B). Dette ga validering av molekylvekt verdiene innhentet av GPC der en enkelt topp, med en polydispersjonen verdi på 1,07, ble observert med en M<…

Discussion

Syntese og levende CDSA av triblock kopolymer PCL50-PMMA10-PDMA200 har blitt skissert. Selv om strenge vilkår er nødvendig, ring-åpning polymerisering av ε-caprolacton ga polymerer med gode egenskaper som aktiverte den vellykkede kjeden utvidelser av MMA og DMA. Disse polymerer var vellykket i sine selv-seeding, få en ren fase av sylindriske miceller, som ble sonikert i frø partikler av LN 98 NM. Gjennom enkel tilsetning av unimer, sylindere med gjennomsnittlig l…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Det er ingen bekreftelser.

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

Referências

  1. Geng, Y., et al. Shape effects of filaments versus spherical particles in flow and drug delivery. Nature Nanotechnology. 2, 249 (2007).
  2. Won, Y. -. Y., Davis, H. T., Bates, F. S. Giant Wormlike Rubber Micelles. Science. 283 (5404), 960-963 (1999).
  3. Mai, Y., Eisenberg, A. Self-assembly of block copolymers. Chemical Society Reviews. 41 (18), 5969-5985 (2012).
  4. 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).
  5. Gilroy, J. B., et al. Monodisperse cylindrical micelles by crystallization-driven living self-assembly. Nature Chemistry. 2, 566 (2010).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Jin, X. -. H., et al. Long-range exciton transport in conjugated polymer nanofibers prepared by seeded growth. Science. 360 (6391), (2018).
  18. 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).
  19. Qiu, H., et al. Uniform patchy and hollow rectangular platelet micelles from crystallizable polymer blends. Science. 352 (6286), 701 (2016).
  20. 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).
check_url/pt/59772?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Coe, Z., Weems, A., Dove, A. P., O’Reilly, R. K. Synthesis of Monodisperse Cylindrical Nanoparticles via Crystallization-driven Self-assembly of Biodegradable Block Copolymers. J. Vis. Exp. (148), e59772, doi:10.3791/59772 (2019).

View Video