توليف جسيمات نانوية أسطوانية أحادية التشتت عبر التجميع الذاتي للبوليمرات القابلة للتحلل البيولوجي

Summary

تبلور يحركها التجميع الذاتي (CDSA) يعرض القدرة الفريدة على اختلاق الهياكل النانوية أسطوانية التوزيعات ضيقة الطول. وأظهرت البلمرة الحلقي فتح البومرة من ε-caprolactone وملحقات سلسلة لاحقة من ميثاكريلات الميثيل وN,N-ثنائي ميثيل أكريلاميد. ويرد بروتوكول CDSA الحية التي تنتج اسطوانات أحادية التشتت تصل إلى 500 نانومتر في الطول.

Abstract

إنتاج الميشيل أسطواني أحادي ة هو تحد كبير في كيمياء البوليمر. يتم إنتاج معظم التركيبات الاسطوانية التي تشكلت من البوليمرات الكربونية ثنائي الكتلة بواسطة واحدة من ثلاث تقنيات: الإماهة الرقيقة للأفلام، أو تبديل المذيبات أو التجميع الذاتي الناجم عن البلمرة، وإنتاج اسطوانات متعددة التشتت المرنة فقط. التبلور يحركها التجميع الذاتي (CDSA) هو الأسلوب الذي يمكن أن تنتج اسطوانات مع هذه الخصائص، من خلال تثبيت هياكل انحناء أقل بسبب تشكيل لب بلورية. ومع ذلك، فإن تقنيات البلمرة الحية التي يتم بها تشكيل معظم كتل تشكيل النواة ليست عمليات تافهة وعملية CDSA قد تسفر عن نتائج غير مرضية إذا نفذت بشكل غير صحيح. هنا، يظهر تركيب الجسيمات النانوية أسطوانية من الكواشف بسيطة. يتم وصف تجفيف وتنقية الكواشف قبل بلمرة فتح حلقة من ε-caprolactone حفزها الفوسفات ثنائي الفينيل. ثم يتم تمديد هذا البوليمر بواسطة ميثاكريلات الميثيل (MMA) تليها N,N-ثنائي ميثيل الأكريلاميد (DMA) باستخدام عكسها إضافة- تجزئة سلسلة نقل (RAFT) البلمرة، مما يتيح ثلاثي الكتلة البوليمر التي يمكن أن تخضع CDSA في الايثانول. يتم تحديد عملية CDSA الحية، ونتائجها تسفر عن جسيمات نانوية أسطوانية تصل إلى 500 نانومتر في الطول وتشتت طول منخفضة تصل إلى 1.05. ومن المتوقع أن تسمح هذه البروتوكولات للآخرين بإنتاج هياكل نانوية أسطوانية ورفع مستوى مجال CDSA في المستقبل.

Introduction

وقد حظيت الهياكل النانوية أحادية الأبعاد (1D)، مثل الاسطوانات والألياف والأنابيب، باهتمام متزايد في مجموعة متنوعة من المجالات. ومن بين هذه، وشعبيتها في علم البوليمر هو المستحقة لمجموعة متنوعة غنية من الخصائص. فعلى سبيل المثال، أثبت غنغ وآخرون أن الفيلوميسيلز تظهر زيادة بمقدار عشرة أضعاف في وقت الإقامة في مجرى الدم لنموذج القوارض مقارنة بنظرائها الكرويين، وكشف وون وآخرون أن ألياف البولي البيوتادايين -ب-بولي (أكسيد الإيثيلين) التشتت اتّصال عرض زيادة في معامل التخزين من قبل اثنين من أوامر من حجم عند الربط المتبادل من النواة خلال قياسات الريولوجية^1,2. ومن المثير للاهتمام، يتم تصنيع العديد من هذه النظم عن طريق التجميع الذاتي للكتل البوليمرات، سواء كان ذلكمن خلال طرق أكثر تقليدية من تبديل المذيبات والإماهة رقيقة فيلم 3، أو أكثر الطرق المتقدمة مثل البلمرة الناجمة عن التجميع الذاتي وبلورة يحركها التجميع الذاتي (CDSA)^4،5. كل تقنية تحمل مزاياها الخاصة، ومع ذلك، يمكن فقط CDSA إنتاج جزيئات جامدة مع توزيع طول موحد ويمكن التحكم فيها.

شكلت الأعمال الرائدة من قبل جيلروي وآخرون طويلة polyferroylylsilane-ب-polydimethylsiloxane (PFS-PDMS) اسطوانات في الهكسان، وعند استخدام sonication خفيفة، اسطوانات قصيرة جدا مع تشتت طول كفاف منخفض (L_ن). عند إضافة كتلة محددة سلفا من سلاسل ثنائي الكتلة كوبوليمر في مذيب مشترك، تم توليف اسطوانات من أطوال متفاوتة مع_ن L منخفضة مثل 1.03^5،6. سلطت مجموعة "مانرس" الضوء على درجة التحكم العالية الممكنة مع نظام PFS، والتي يمكن استخدامها لتشكيل هياكل معقدة وهرمية بشكل ملحوظ: كتلة مشتركة-micelles، وشاح على شكل ودمبل micelles على سبيل المثال لا الحصر^{7، 8}. بعد هذه المظاهرات، بحث الباحثون أخرى، نظم أكثر وظيفية لCDSA بما في ذلك: البوليمرات السلعية شبه البلورية (البولي، بولي (ε-caprolactone)، بوليلاكتيد)^{9،10 ،11،12،13} والبوليمرات (بولي (3-hexylthiophene)، بوليسلينوفين)^14،15. المسلحة مع هذه المجموعة من أنظمة البوليمر ثنائي الكتلة التي يمكن تجميعها بسرعة وكفاءة، وقد أجرى الباحثون المزيد من البحوث التي يحركها التطبيق في السنوات الأخيرة¹⁶.  وقد أظهرت جين وآخرون أطوال انتشار اكسيتون في مئات نانومتر في بوليمرات كتلة بوليثيوفين وأظهرت مجموعتنا تشكيل المواد الهلامية من بولي (ε-caprolactone) (PCL) التي تحتوي على التركيبات أسطوانية^{10، 17}.

على الرغم من أنها تقنية قوية، CDSA لديها قيودها. الكتلة [كبوليمر] ينبغي يتلقّى عنصر [سمي-بلّوريكل], [أس ولّ س] منخفضة تشتت قيم و [فيلّي] عال نهاية مجموعة; قد تسبب الملوثات كتلة أقل النظام تجميع الجسيمات أو إحداث تغييرات مورفولوجية^18،19. بسبب هذه القيود، وتستخدم البلمرة الحية. ومع ذلك، مطلوب تنقية الكواشف كبيرة، وإجراءات التجفيف والمياه / الأكسجين بيئات خالية من أجل تحقيق البوليمرات مع الخصائص المذكورة أعلاه. وقد بذلت محاولات لتصميم نظم للتغلب على ذلك. على سبيل المثال، تم تشكيل البوليمرات كتلة PFS باستخدام الكيمياء انقر لزوجين سلاسل البوليمر معا²⁰. على الرغم من أن الجسيمات النانوية أسطوانية الناتجة قد أظهرت خصائص مثالية، وعادة ما يتم تنقية البوليمرات الكوبوليمرالكتل بواسطة الكروماتوغرافيا استبعاد حجم إعدادي وتركيب PFS لا يزال يتطلب استخدام أنيوني المعيشة البلمرة. حققت مجموعتنا مؤخرا CDSA الحية من PCL، ونجاح هات حول استخدام كل من البلمرة الحلقي ة المتجددة القابلة للربط (ROP) وعكسها إضافة- تجزئة سلسلة نقل (RAFT) البلمرة^10. على الرغم من أن هذه الطريقة أبسط، لا تزال مطلوبة البلمرة الحية.

وبما أن هذا المجال يتجه نحو المزيد من البحوث التي يحركها التطبيق، وبسبب المشاكل المرتبطة بالبلمرة الحية، يعتقد أن الخطوط العريضة لبروتوكولات توليف البوليمر والتجميع الذاتي ستكون مفيدة للعمل العلمي في المستقبل. وهكذا، في هذه المخطوطة، يتم تحديد التوليف الكامل والتجميع الذاتي PCL-b-PMMA-b -PDMA copolymer. وسيتم تسليط الضوء على تقنيات التجفيف في سياق ROP organocatalyzed من ε-caprolactone وسيتم تحديد البلمرة RAFT اللاحقة من MMA وDMA. وأخيرا، سيتم عرض بروتوكول CDSA الحية لهذا البوليمر في الإيثانول وسيتم انتقاد الأخطاء الشائعة في بيانات توصيف بسبب تقنية تجريبية رديئة.

Protocol

1. تجفيف التولوين

ملاحظة: إذا كان لديك إمكانية الوصول إلى أبراج المذيبات الجافة، وجمع التولوين وdegas من قبل خمس دورات تجميد مضخة ذوبان.

1. جاف 3 ° المنخل الجزيئي في قارورة شلينك 250 مل في 250-300 درجة مئوية تحت فراغ لمدة 48 ساعة ونقلها إلى صندوق القفازات.
2. جفف أمبولتين في الفرن على درجة حرارة 150 درجة مئوية بين عشية وضحاها ونقلها إلى صندوق القفازات.
3. نقل غربال الجزيئية المنشط في أمبولات اثنين وإزالة من صندوق القفازات.
4. جفف قارورة مستديرة القاع ذات عنقين (RBF) وأضف 100 مل من التولوين، ويعادل حجمها، على الأكثر، نصف حجم الأمبولة. أضف 1.0 غرام من الكاتش₂ إلى التولوين وحركه.
   تحذير: كن حذراً من الإفراج H₂ في هذه المرحلة. إضافة CaH₂ دائما تحت تدفق ثابت من النيتروجين لإزالة أي H₂ بناء في قارورة.
5. نقل التولوين إلى واحدة من أمبولات تحتوي على غربال الجزيئية مع قنية مرشح والراحة بين عشية وضحاها.
6. نقل التولوين إلى أمبولة الأخيرة التي تحتوي على غربال مع قنية مرشح. تجميد مضخة ذوبان (5 دورات) التولوين ونقلها إلى صندوق القفازات.

2. تجفيف المبادر بمكافحة الكتمان/الدي بي بي

1. إضافة وكيل نقل سلسلة / البادئ إلى قارورة، وتأمين مع ورقة الأنسجة.
2. إضافة 10 غرام من P₂O₅ في مجفف. ضع القارورة فوق المسحوق.
3. ضع المجفف تحت فراغ ديناميكي لمدة 8 ساعات وفراغ ثابت بين عشية وضحاها.
4. فتح المجفف لإثارة P₂O₅. استئناف دورات فراغ لمدة 5 أيام.
   ملاحظة: قد تُغير P₂O₅ أو تصبح عُمَلة إذا كان هناك فائض في المذيب/الماء. يستعاض عن الـ P₂O₅ إذا لوحظ ذلك.
5. ردم المجفف مع النيتروجين ونقل إلى صندوق القفازات.

3. تجفيف / تنقية من ε-caprolactone

ملاحظة: بالنسبة لهذا القسم، يجب أن تكون جميع الأواني الزجاجية وقضبان المُحرّر قد جفت في فرن 150 درجة مئوية بين عشية وضحاها قبل الاستخدام. وهذا سوف يزيل كل المياه من أسطح الزجاج.

1. إضافة 100 مل من ε-caprolactone إلى اثنين الرقبة 250 مل RBF مجهزة شريط الستيرور واضغط على الرقبة الصغيرة.
2. إضافة 1.0 غرام من هيدريد الكالسيوم في RBF، تحت تدفق ثابت من النيتروجين. تناسب مع سدادة الزجاج ويحرك بين عشية وضحاها في درجة حرارة الغرفة تحت جو النيتروجين.
3. تجفيف معدات التقطير فراغ.
4. نعلق قارورة ذات عنقين على خط شلينك وتطهير عن طريق إخلاء وملء مع النيتروجين ثلاث مرات. بعد التطهير، افتح الخط لتدفق ثابت من النيتروجين.
5. تجميع معدات التقطير فراغ من و- الكابولاكتين RBF، والحفاظ على تدفق ثابت من النيتروجين لمنع المياه من دخول النظام. نعلق ميزان الحرارة وختم في مكان.
6. إرفاق محول لخط شلينك. إزالة تدفق النيتروجين ووضع النظام تحت فراغ تحت هذا الاتصال الجديد.
7. قم بتسخين الـ ε-caprolactone عند 60-80 درجة مئوية، وجمع أول 5.0 مل في الـ RBFs الصغيرة والباقي في RBF ذو الرقبة اثنين. وضع قوارير في النيتروجين السائل لتكثيف الكرولاكتون على نحو فعال. التفاف معدات التقطير في الصوف القطني واحباط لتسريع العملية.
8. قم بإرفاق خط شلينك بقارورة التجميع وتطهير الخط ثلاث مرات. بدوره الخط إلى النيتروجين وفتح الصنبور. إضافة 1.0 غرام من هيدريد الكالسيوم إلى قارورة، وسدادة، ثم ترك تحت جو النيتروجين مع التحريك بين عشية وضحاها.
9. وفي الوقت نفسه، التخلص من هيدريد الكالسيوم الزائد عن طريق إضافة قطرة من الإيزوبروبانول، تليها 5.0 مل من الميثانول ومن ثم فائض من الماء مرة واحدة يتوقف الفقاعات. شطف الأواني الزجاجية مع الأسيتون ووضعها في الفرن بين عشية وضحاها.
10. كرر التقطير فراغ مرة أخرى، دون إضافة CaH₂ إلى مونومر مرة واحدة الانتهاء. بدلاً من ذلك، نقل الكرولاكتون عن طريق قنية إلى أمبولة ونقل إلى صندوق القفازات.

4. خاتم البلمرة فتح Ε-caprolactone

1. إعداد حلول الأسهم من البادئ، المحفز ومونومر. يزن 0.10 غرام من ثنائي الفينيل الفوسفات، 0.011 غرام من CTA-OH و 0.25 غرام من الكرولاكتون في ثلاث قوارير منفصلة. إضافة 0.5 مل من التولوين إلى كل من البادئ وقارورة محفز وتهيج بلطف حتى يتم حل الكواشف.
2. اخلط يبادر وثنائي الفينيل حلول الأسهم الفوسفات في قارورة واحدة وإضافة شريط ضجة.
3. تحت التحريك المعتدل، إضافة مونومر في القارورة البادئ / محفز. تناسب القارورة مع غطاء ويحرك لمدة 8 ساعة في درجة حرارة الغرفة.
4. بعد 8 ح، إزالة القارورة من صندوق القفازات وتعجل على الفور إلى فائض من الأثير ثنائي إيثيل الباردة dropwise.
5. قم بتصفية البيضاء الصلبة والجافة وتذوب في 1 مل من تيتراهيدروفوران (THF). يُعجّب مرتين أكثر ويجفف جيداً.

5. البلمرة RAFT من ميثاكريلات الميثيل ون، ن-ثنائي ميثيل اكريلاميد

1. لإزالة المثبتات من الديوكسين وMMA، إعداد عدة المقابس الألومينا الأساسية في الماصات باستور وتصفية السوائل في قارورة منفصلة.
2. وزن 0.5 غرام من PCL توليفها سابقا، 0.424 غرام من ميثاكريلات الميثيل وقياس 2 مل من الديوكسين في قارورة والسماح للذوبان.
3. إعداد محلول مخزون من azobisisobutyronitrile نقية (AIBN، 10 ملغ في 1.0 مل) وماصة في 139 ميكرولتر في خليط التفاعل. نقل إلى أمبولة مجهزة شريط ضجة وختم.
4. تجميد مضخة ذوبان الحل ثلاث مرات. ردم مع النيتروجين ووضع أمبولة في حمام النفط السخنة في 65 درجة مئوية لمدة 4 ساعة.
   ملاحظة: لا تسخين الحاوية مع أي شيء أكثر من 30 درجة مئوية قبل اكتمال دورات التجميد مضخة ذوبان الجليد، لأن هذا يمكن أن يسبب البادئ إلى تحلل.
5. لمراقبة التحويل، قم بإزالة الأمبولة من حمام الزيت. تبديل الغطاء لختم تحت تدفق النيتروجين، وإزالة اثنين من قطرات وتخلط مع الكلوروفورم deuterated. تشغيل طيف البروتون على جهاز NMR.
6. ضع الأمبولة في النيتروجين السائل حتى يتم تجميدها وفتح أمبولة في الهواء لإرواء البلمرة.
7. يُعجّل المزيج بالقطرة إلى فائض كبير من الأثير ثنائي الإيثيل البارد. عزل بواسطة بوخنر الترشيح والجافة.
8. تأخذ البوليمر حتى في THF ويعجل مرتين أكثر. قم بتجفيف البوليمر بدقة وتحلل بواسطة ¹H H NMR المطياف وجل الزبالة اللونية (GPC).
9. اتبع هذا الإجراء مرة أخرى، ولكن مع 0.5 غرام من PCL-PMMA، 1.406 غرام من DMA، 2.0 مل من الديوكسين و 111 ميكرولتر من 10 mg.mL^-1 AIBN في الديوكسين. الحرارة البلمرة في 70 درجة مئوية لمدة 1 ساعة ويعجل خليط التفاعل في الأثير ثنائي إيثيل الباردة ثلاث مرات.

6. الذاتي النوى، وتوليد البذور والمعيشة التبلور يحركها التجميع الذاتي

1. وضع 5.0 ملغ من ثلاثي الكتلة البوليمر في قارورة وإضافة 1.0 مل من الإيثانول. ختم القارورة مع غطاء وparafilm والحرارة في 70 درجة مئوية لمدة 3 ساعة.
2. ترك القارورة لتبرد ببطء إلى درجة حرارة الغرفة. ترك الحل إلى العمر في درجة حرارة الغرفة لمدة أسبوعين. سوف يتحول الحل غائما، وسوف تشكل طبقة متميزة في الجزء السفلي عندما تجميعها بالكامل.
3. تخفيف 5.0 mg.mL^-1 تشتت إلى 1.0 mg.mL^-1.
4. وضع التشتت في أنبوب دليل sonication ووضع في حمام الجليد.
5. أدخل طرف مسبار سونيكيشن في المنطقة الوسطى من التشتت.
6. سونيكيت الحل لمدة خمس عشرة دورة من 2 دقيقة في أدنى كثافة، مما يسمح لتبرد لمدة 15 دقيقة قبل الدورة القادمة.
7. خذ aaliquot من 1.0 mg.mL^-1 تشتت البذور وتضعف إلى 0.18 mg.mL^-1.
8. إعداد حل من unimer في THF في 25 mg.mL^-1. أضف 32.8 ميكرولتر في تشتت البذور ويهز بلطف للسماح بالانحلال الكامل.
9. ترك التشتت إلى سن ثلاثة أيام مع غطاء مجار قليلا حتى THF يمكن أن تتبخر. هذا سوف تنتج اسطوانات من 500 نانومتر في الطول إذا كانت البذور البداية 90 نانومتر في الطول.

النتائج

تم تحليل PCL بواسطة ¹H H NMR الطيفية وجل ثقب اللون (GPC). وقد أسفر طيف معدل الوفيات القصوى ¹درجة من البلمرة (DP) من 50، مقارنة بالرنين عند 3.36 جزء في المليون و 4.08 جزء في المليون، والتي تتوافق مع مجموعة البروتونات الإيثيلية النهائية واستر في سلسلة البروتونات α على التوالي (...

Discussion

وقد تم تحديد التوليف والمعيشة CDSA من ثلاثي block copolymer PCL₅₀-PMMA₁₀-PDMA_200. على الرغم من أن الشروط الصارمة مطلوبة، أعطى البلمرة افتتاح حلقة من ε-caprolactone البوليمرات مع خصائص ممتازة التي مكنت من ملحقات سلسلة ناجحة من MMA وDMA. وكانت هذه البوليمرات ناجحة في البذر الذاتي، والحصول على مرحلة ن?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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