מאפייני electroactive פולימר החלקיקים מציגים photothermal
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
פולימרים electroactive לשנות את תכונותיהם (צבע, מוליכות, תגובתיות, נפח, וכו ') בנוכחות שדה חשמלי. פעמים המיתוג מהירות, tunability, עמידות, ומאפיינים קלים של פולימרים האלקטרו הובילו ליישומים רבים מוצעים, כוללים אנרגיה חלופית, חיישנים, electrochromics, והתקנים ביו-רפואיים. הפולימרים electroactive הם שעשוי להיות שימושיים כאלקטרודות סוללה וקבלים גמישות, קל משקל. 1 יישומים של פולימרים האלקטרו במכשירי electrochromic כוללים מערכות בוהק הפחתה לבניינים וכלי רכב, משקפי שמש, משקפי מגן, התקני אחסון אופטיים, וטקסטיל חכם. 2-5 חכמים חלונות יכולים להפחית את דרישות אנרגיה על ידי חסימת אורכי גל מסוים של אור על פי דרישה והגנת פנים של בתים ומכוניות. חכם טקסטיל ניתן להשתמש בבגדים כדי לסייע בהגנה מפני קרינת UV. יש לי 6 פולימרים electroactive also החל להיות בשימוש במכשירים רפואיים. בין הפולימרים electroactive בשימוש במכשירים ביו-רפואיים, polypyrrole (PPy), polyaniline (פאני), ופולי (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) הם בין הנפוצים ביותר. לדוגמא, אלו סוגים של פולימרים משמשים בדרך כלל כמתמרים במכשירי biosensor גם 7 יישומים במשלוח טיפולי הראו הבטחה.; מחקרים הוכיחו את שחרורו של תרופות וחלבונים טיפוליים מהתקנים שהוכנו מפולימרי electroactive. 8-12 לאחרונה, פולימרים electroactive שימשו כסוכנים טיפוליים בטיפול photothermal. 13-15 בטיפול photothermal, סוכני photothermal חייבים לקלוט אור בליד -infrared אזור (ניר) (~ 700-900 ננומטר), הידוע גם בחלון הטיפולי, שבו אור יש עומק המרבי של חדירה ברקמה, בדרך כלל עד 1 סנטימטר. 16,17 בטווח זה, chromophores ביולוגי כגון המוגלובין , יש לי המוגלובין, שומנים, מים וחומצן קטנים ללאהספיגה, המאפשרת לאור לחדור בקלות. כאשר סוכני photothermal לקלוט אור בחלון טיפולי זו, photoenergy מומר לאנרגיית photothermal.
ארווין ועמיתים לעבודה שדווחו בעבר alkoxy-הוחלפו מונומרים בנזן BIS-מעדות שהיו מסונתזים באמצעות צימוד Negishi. 18 צימוד Negishi הוא שיטה מועדפת לקשר פחמן-פחמן היווצרות. תהליך זה יש יתרונות רבים, כוללים השימוש בחומרי ביניים organozinc, שהם פחות רעילים ונוטים להיות תגובתיות גבוהה מorganometallics האחר המשמשת. 19,20 תרכובות Organozinc הן גם תואמות עם מגוון רחב של קבוצות פונקציונליות על organohalides. 20 ב תגובת צימוד Negishi, organohalide וorganometal הם מצמידים באמצעות פלדיום (0) זרז. 20 בעבודה שהוצגה במסמך זה, שיטת צימוד צולבת זו מנוצלת בסינתזה של 1,4-2,5-BIS dialkoxy ( 3,4-ethylenedioxythienyl) benzene (BEDOT-B (OR) 2) מונומרים. אז יכולים להיות polymerized מונומרים אלה בקלות אלקטרוכימי או כימי להניב פולימרים שהם מועמדים מבטיחים לשימוש ביישומים ביו-רפואיים.
שיטות מקובלות להכנת השעיות פולימרים קולואידים בתמיסות מימיות עבור יישומים ביו-רפואיים בדרך כלל כרוכות בפירוק של פולימרים בתפזורת ואחריו טכניקות אידוי nanoprecipitation או תחליב-ממס. 21,22 על מנת לייצר צירופים של פולי (BEDOT-B (OR) 2) , גישה מלמטה למעלה מודגמת כאן שם הצירופים ומסונתזים באמצעות בפילמור תחליב אתר. פילמור התחליב הוא תהליך שהוא להרחבה בקלות והיא שיטה מהירה יחסית להכנת NP. 22 מחקרים באמצעות פילמור התחליב לייצר צירופים של פולימרים האלקטרו אחרים דווחו לPPy וPEDOT. 15,23,24 צירופים וPEDOT, למשל, הוכן באמצעות p תחליב ספרייolymerization. 24 שיטה זו היא קשה לשחזר, ובדרך כלל תשואות חלקיקים גדולים יותר, בגודל מיקרון. הפרוטוקול המתואר במאמר זה בוחן את השימוש בשיטת הטיפה-sonication להכין reproducibly צירופים ופולימר 100 ננומטר.
בפרוטוקול זה, פולימרים electroactive מותאמים לקלוט אור באזור ניר דומה לפולי שדווחו בעבר (BEDOT-B (OR) 2) מסונתזים ומאופיין להפגין את הפוטנציאל שלהם במכשירי electrochromic וכסוכני PTT. ראשית, הפרוטוקול לסינתזה של מונומרים באמצעות צימוד Negishi מתואר. מונומרים מאופיינים באמצעות NMR וספקטרוסקופיה UV-Vis-ניר. ההכנה של מתלי קולואיד NP באמצעות פילמור תחליב חמצוני בתקשורת מימית מתוארת גם. ההליך מבוסס על תהליך פילמור שני שלבים שתואר קודם לכן על ידי תחליב אל האן ואח. שמוחל על מונומרים השונים. מערכת דו-שטח היאמשמש לשליטה monodispersity NP. Assay כדאיות תא משמש להערכת cytocompatibility של הצירופים ו. לבסוף, את הפוטנציאל של צירופים ואלה לפעול כמתמרים PTT לידי ביטוי על ידי הקרנה עם לייזר ניר.
Protocol
Representative Results
Discussion
בעבודה זו, צירופים ופולימר electroactive היו מסונתזים כסוכני PTT פוטנציאל לטיפול בסרטן. ההכנה של הצירופים ומתוארים, החלה בסינתזה של מונומרים אחרי פילמור תחליב. בעוד הכנת צירופים ובאמצעות פולימרים electroactive כגון מעדות וpyrrole תוארה קודם, מאמר זה מתאר את ההכנה של צירופים ופולימרי?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו מומנה בחלקו על ידי קרן טקסס Emerging Technology (אתחול לשחפת), מדינה באוניברסיטת מחקר תכנית שיפור טקסס, מדינת אוניברסיטת דוקטורט מחקר טקסס (לTC), שותפות NSF למחקר ולחינוך בחומרים (PREM, DMR-1205670), קרן וולש (AI-0045), והמכונים לאומי לבריאות (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).
