Elektroactieve Polymer Nanodeeltjes Exposeren Fotothermisch Properties
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
Elektro-actieve polymeren veranderen van eigenschappen (kleur, geleidbaarheid, reactiviteit, volume, etc.) in aanwezigheid van een elektrisch veld. De snelle schakeltijden, tunability, duurzaamheid en lichtgewicht kenmerken van de elektro-polymeren hebben geleid tot vele voorgestelde toepassingen, waaronder alternatieve energie, sensoren, electrochroom en biomedische apparaten. Elektroactieve polymeren zijn potentieel bruikbaar als flexibel, lichtgewicht accu en condensatorelektroden. 1 Toepassingen van elektroactieve polymeren in elektrochrome apparaten zijn schittering-reductie systemen voor gebouwen en auto's, zonnebrillen, beschermende brillen, optische opslag apparaten en smart textiles. 2-5 Smart vensters kunnen eisen energie te verminderen door het blokkeren van specifieke golflengten van licht on-demand en het beschermen van interieurs van huizen en auto's. Smart textiel kan worden gebruikt in kleding ter bescherming tegen UV-straling. 6 elektroactieve polymeren also begonnen was gebruikt in medische apparatuur. Onder elektroactieve polymeren toegepast in biomedische inrichtingen, polypyrrool (PPy), polyaniline (PANI) en poly (3,4-ethyleendioxythiofeen) (PEDOT) behoren tot de meest voorkomende. Zo worden deze typen polymeren gewoonlijk als transducers in biosensor inrichtingen 7 Applicaties en therapeutische aflevering ook aangetoond te.; studies hebben de afgifte van geneesmiddelen en therapeutische eiwitten Meer onlangs aangetoond van inrichtingen bereid uit elektro-actieve polymeren. 8-12, zijn elektro polymeren toegepast als therapeutische middelen bij fotothermische therapie. 13-15 In fotothermische therapie moet fotothermische agents licht absorberen in de buurt -infrarood (NIR) gebied (~ 700-900 nm), ook bekend als het therapeutische venster licht heeft de maximale penetratiediepte in weefsel, typisch tot 1 cm. 16,17 In dit bereik, biologische chromoforen zoals hemoglobine , geoxygeneerde hemoglobine, lipiden en water hebben weinig tot geenabsorptie, die licht in staat stelt om gemakkelijk te dringen. Wanneer fotothermisch agenten licht absorberen in dit therapeutisch venster, wordt de photoenergy omgezet in fotothermische energie.
Irvin en co-werkers hebben eerder gemeld alkoxy-gesubstitueerde bis-eDOT benzeen monomeren die werden gesynthetiseerd met behulp Negishi koppeling. 18 Negishi koppeling is een voorkeurswerkwijze voor het vormen koolstof-koolstofbinding. Deze werkwijze heeft vele voordelen, waaronder het gebruik van organozink tussenproducten, die minder toxisch en hebben gewoonlijk hogere reactiviteit dan andere organometaalverbindingen gebruikt. 19,20 organozinkverbindingen zijn ook compatibel met een breed scala aan functionele groepen op de organohalides. 20 In het Negishi koppelingsreactie, een organohalogenide en organometaal gekoppeld door middel van een palladium (0) katalysator. 20 In het werk die hierin wordt deze kruiskoppeling methode toegepast bij de synthese van 1,4-dialkoxy-2,5-bis ( 3,4-ethylenedioxythienyl) benzene (bedot-B (OR) 2) monomeren. Deze monomeren kunnen vervolgens eenvoudig elektrochemisch of chemisch gepolymeriseerd tot polymeren die veelbelovende kandidaten voor gebruik bij biomedische toepassingen opleveren.
Gebruikelijke werkwijzen voor de bereiding van colloïdale suspensies in waterige polymere oplossingen voor biomedische toepassingen omvatten typisch het oplossen van bulkpolymeren gevolgd door nanoprecipitation of emulsie-oplosmiddel verdampingstechnieken. 21,22 Om NPs van poly (bedot-B (OR) 2) een bottom-up benadering is hier aangetoond waar de NP worden gesynthetiseerd via de in situ emulsiepolymerisatie. Emulsiepolymerisatie is een proces dat gemakkelijk schaalbaar is en een relatief snelle werkwijze voor de bereiding NP. 22 Studies die gebruik emulsiepolymerisatie NP produceren van andere elektro-polymeren beschreven voor PPy en PEDOT. 15,23,24 PEDOT NP, bijvoorbeeld, zijn opgesteld met behulp van spuiten emulsie polymerization. 24 Deze methode is moeilijk te reproduceren, en levert doorgaans grotere, microscopisch kleine deeltjes. De hier beschreven protocol onderzoekt het gebruik van een drop-sonicatie methode reproduceerbaar bereiden 100-nm polymeer NP.
In dit protocol, elektro-actieve polymeren op maat van licht in het NIR gebied vergelijkbaar met eerder gerapporteerde poly absorberen (bedot-B (OR) 2) gesynthetiseerd en gekarakteriseerd om hun potentieel in elektrochrome apparaten en als PTT agenten demonstreren. Eerst wordt het protocol voor de synthese van de monomeren via Negishi koppeling beschreven. De monomeren worden gekarakteriseerd met behulp van NMR en UV-Vis-NIR spectroscopie. De bereiding van colloïdale suspensies NP via oxidatieve emulsiepolymerisatie in waterige media wordt ook beschreven. De procedure is gebaseerd op een twee-stappen emulsiepolymerisatieproces eerder beschreven door Han et al., Dat wordt toegepast op de verschillende monomeren. Een twee-oppervlakteactieve systeem isgebruikt om de NP monodispersiteit regelen. Een cellevensvatbaarheid test wordt gebruikt om cytocompatibility van de NP evalueren. Tenslotte wordt het potentieel van deze NP om als PTT transducers aangetoond door bestraling met NIR laser.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dit werk hebben elektroactieve polymeer NP gesynthetiseerd als potentiële PTT middelen voor de behandeling van kanker. De bereiding van de NP wordt, uitgaande van de synthese van de monomeren gevolgd door emulsiepolymerisatie. Hoewel de bereiding van NPs gebruik electro polymeren zoals eDOT en pyrrool eerder is beschreven, dit document beschrijft de bereiding van polymere NP ab unieke uitgebreide conjugatie monomeren, waaruit blijkt dat dit proces kan worden uitgebreid naar grotere, complexere monomeren.
<p clas…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd deels gefinancierd door de Texas Emerging Technology Fund (Startup TB), de Texas State University Research Enhancement Program, de Texas State University Doctoral Research Fellowship (TC), de NSF Partnerschap voor Onderzoek en Onderwijs in Materials (PREM, DMR-1205670), De Welch Foundation (AI-0045), en de National Institutes of Health (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).
