خصائص Electroactive البوليمر النانوية نستعرض ضوئي؛ ضوحراري
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
البوليمرات Electroactive تتغير خصائصها (اللون، والموصلية، التفاعل، وحجم، الخ) في وجود مجال كهربائي. العصر التحول السريع، tunability، وقوة التحمل، وأدت الخصائص خفيفة الوزن البوليمرات electroactive إلى العديد من التطبيقات المقترحة، بما في ذلك الطاقة البديلة، وأجهزة الاستشعار، electrochromics، والأجهزة الطبية. البوليمرات Electroactive مفيدة يحتمل أن تكون مرنة وخفيفة الوزن بطارية ومكثف الأقطاب الكهربائية. (1) تشمل تطبيقات البوليمرات electroactive في الأجهزة كهربائيا أنظمة تخفيض الوهج للمباني والسيارات، والنظارات، والنظارات الواقية، وأجهزة التخزين البصرية، والمنسوجات الذكية. 2-5 يمكن النوافذ الذكية تقليل متطلبات الطاقة عن طريق منع موجات محددة من الضوء على الطلب وحماية الداخلية من المنازل والسيارات. المنسوجات الذكية يمكن استخدامها في الملابس للمساعدة في حماية ضد الأشعة فوق البنفسجية. 6 البوليمرات Electroactive لها المرضس بدأت لاستخدامها في الأجهزة الطبية. بين البوليمرات electroactive المستخدمة في الأجهزة الطبية الحيوية، polypyrrole (PPY)، بولي آنلين (باني)، وبولي (3،4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) هي من بين الأكثر شيوعا. على سبيل المثال، يتم استخدام هذه الأنواع من البوليمرات عادة باسم محولات الطاقة في أجهزة الاستشعار البيولوجي أظهرت 7 تطبيقات في تسليم العلاجي كما وعد؛ وقد أثبتت الدراسات الإفراج عن المخدرات والبروتينات العلاجية من أجهزة أعدت من البوليمرات electroactive 8-12 وفي الآونة الأخيرة، تم استخدام البوليمرات electroactive كعوامل علاجية في علاج ضوئي؛ ضوحراري 13-15 في العلاج ضوئي؛ ضوحراري، يجب أن كلاء ضوئي؛ ضوحراري تمتص الضوء في المستقبل القريب -infrared (الجرد) المنطقة (~ 700-900 نانومتر)، المعروف أيضا باسم النافذة العلاجية، حيث ضوء لديها أقصى عمق تغلغل في الأنسجة، وعادة ما يصل إلى 1 سم. 16،17 في هذا النطاق، حاملات البيولوجية مثل الهيموغلوبين ، خضاب الدم المؤكسج، والدهون، والماء يكون بين القليل إلى أيالامتصاصية، والتي تمكن ضوء لاختراق بسهولة. عندما تمتص كلاء ضوئي؛ ضوحراري الضوء في هذا الإطار العلاجي، يتم تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة ضوئي؛ ضوحراري.
ايرفين وزملاء العمل قد أعلنت في وقت سابق alkoxy استبداله مكرر EDOT أحادية البنزين التي تم توليفها باستخدام اقتران Negishi 18 Negishi اقتران هو الأسلوب المفضل لتشكيل السندات بين الكربون. هذه العملية العديد من المزايا، بما في ذلك استخدام سيطة organozinc، والتي هي أقل سمية وتميل إلى أن تكون أعلى من التفاعل organometallics الأخرى المستخدمة. 19،20 مركبات Organozinc هي أيضا متوافقة مع مجموعة واسعة من المجموعات الوظيفية على organohalides 20 في رد فعل اقتران Negishi، تقترن في organohalide وorganometal من خلال استخدام البلاديوم (0) محفز. 20 وفي العمل المقدمة في هذه الوثيقة، ويستخدم هذا الأسلوب اقتران عبر في تركيب 1،4-dialkoxy-2،5-مكرر ( 3،4-ethylenedioxythienyl) benzeشمال شرق (BEDOT-B (OR) 2) أحادية. ويمكن بعد هذه مونومرات أن بلمرة بسهولة electrochemically أو كيميائيا لانتاج البوليمرات التي هي المرشحين واعد للاستخدام في التطبيقات الطبية الحيوية.
الأساليب التقليدية لإعداد تعليق البوليمرية الغروية في المحاليل المائية للتطبيقات الطبية الحيوية عادة ما تنطوي على حل البوليمرات الأكبر تليها nanoprecipitation أو مستحلب المذيبات تقنيات التبخر. 21،22 من أجل إنتاج مصادر القدرة النووية بولي (BEDOT-B (OR) 2) ، ويتجلى نهج من أسفل إلى أعلى هنا حيث يتم تجميع مصادر القدرة النووية عبر الموقع الطبيعي مستحلب البلمرة في. مستحلب البلمرة هي عملية غير قابلة بسهولة وطريقة سريعة نسبيا لإعداد NP. وقد تم الإبلاغ عن 22 الدراسات باستخدام مستحلب البلمرة لإنتاج مصادر القدرة النووية البوليمرات electroactive أخرى لPPY وPEDOT. 15،23،24 PEDOT مصادر القدرة النووية، على سبيل المثال، تم إعدادها باستخدام رذاذ مستحلب صolymerization. 24 وهذه الطريقة من الصعب على الإنجاب، وعادة ما ينتج أكبر، والجسيمات ميكرون الحجم. بروتوكول الموصوفة في هذه المقالة يستكشف استخدام أسلوب ترك صوتنة لإعداد بتكاثر 100 نانومتر مصادر القدرة النووية البوليمر.
في هذا البروتوكول، والبوليمرات electroactive مصممة خصيصا لامتصاص الضوء في منطقة الجرد الوطني مماثل لبولي ذكرت سابقا (BEDOT-B (OR) 2) وقد تم تجميع وتتميز لإثبات قدراتهم في الأجهزة كهربائيا وكعوامل PTT. أولا، يتم وصف بروتوكول لتركيب مونومرات عبر Negishi اقتران. وتتميز أحادية باستخدام الرنين المغناطيسي والأشعة فوق البنفسجية فيس نير الطيفي. كما يوصف إعداد NP تعليق الغروانية عبر البلمرة الأكسدة مستحلب في الوسط المائي. ويستند هذا الإجراء على مستحلب عملية البلمرة من خطوتين وصفها من قبل هان وآخرون أن يتم تطبيقها على أحادية مختلفة. نظام يومين السطحي هوتستخدم للسيطرة على monodispersity NP. ويستخدم الفحص بقاء الخلية لتقييم cytocompatibility من مصادر القدرة النووية. وأخيرا، أظهرت إمكانات هذه مصادر القدرة النووية لتكون بمثابة محولات PTT بواسطة أشعة الليزر مع قوائم الجرد الوطنية.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذا العمل، وقد تم تصنيعه مصادر القدرة النووية البوليمر electroactive وكلاء PTT محتمل لعلاج السرطان. يوصف إعداد مصادر القدرة النووية، بدءا من تجميع للأحادية تليها مستحلب البلمرة. في حين وصفت إعداد تلك المصادر استخدام البوليمرات electroactive مثل EDOT وبيرول قبل ذلك، توضح هذه الور…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم تمويل هذا العمل في جزء من صندوق تكساس الناشئة التكنولوجيا (بدء التشغيل إلى TB)، وبرنامج جامعة تكساس الحكومية البحوث تعزيز، وجامعة ولاية زمالة أبحاث الدكتوراه تكساس (لTC)، والشراكة NSF للبحوث والتعليم في المواد (PREM، DMR-1205670)، ومؤسسة ولش (AI-0045)، والمعاهد الوطنية للصحة (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).
