Síntesis de nanopartículas cilíndricas monodispersas mediante autoensamblaje basado en cristalización de copolímeros de bloques biodegradables

Resumen

El autoensamblaje controlado por cristalización (CDSA) muestra la capacidad única de fabricar nanoestructuras cilíndricas de distribuciones de longitud estrecha. Se demuestra la polimerización de apertura de anillo organocatalizada de -caprolactona y las posteriores extensiones en cadena de metacrilato de metilo y N,N-dimetil acrilamida. Se describe un protocolo CDSA vivo que produce cilindros monodispersos de hasta 500 nm de longitud.

Resumen

La producción de micelas cilíndricas monodispersas es un desafío significativo en la química de polímeros. La mayoría de las construcciones cilíndricas formadas a partir de copolímeros dibloqueselos se producen mediante una de las tres técnicas: rehidratación de película delgada, conmutación de disolventes o autoensamblaje inducido por polimerización, y producen solo cilindros flexibles de polidisperso. El autoensamblaje impulsado por la cristalización (CDSA) es un método que puede producir cilindros con estas propiedades, estabilizando estructuras de curvatura más baja debido a la formación de un núcleo cristalino. Sin embargo, las técnicas de polimerización viva por las cuales se forman la mayoría de los bloques de formación de núcleos no son procesos triviales y el proceso CDSA puede producir resultados insatisfactorios si se lleva a cabo incorrectamente. Aquí se muestra la síntesis de nanopartículas cilíndricas a partir de reactivos simples. Se describe el secado y la purificación de los reactivos antes de una polimerización de apertura de anillo de la -caprolactona catalizada por fosfato de difenilo. Este polímero se extiende en cadena por metacrilato de metilo (MMA) seguido de N,N-dimetil acrilamida (DMA) utilizando la polimerización reversible de adición-transferencia de cadena de fragmentación (RAFT), proporcionando un copolímero tribloque que puede someterse a CDSA en Etanol. Se describe el proceso CDSA vivo, cuyos resultados producen nanopartículas cilíndricas de hasta 500 nm de longitud y una dispersión de longitud tan baja como 1.05. Se prevé que estos protocolos permitirán a otros producir nanoestructuras cilíndricas y elevar el campo de la CDSA en el futuro.

Introducción

Las nanoestructuras unidimensionales (1D), como cilindros, fibras y tubos, han atraído cada vez más atención en una variedad de campos. Entre ellos, su popularidad en la ciencia de polímeros se debe a su rica variedad de propiedades. Por ejemplo, Geng y otros demostraron que los filomicenos presentan un aumento de diez veces el tiempo de residencia en el torrente sanguíneo de un modelo de roedores en comparación con sus homólogos esféricos, y Won et al. revelaron que la fibra de polibutamideno-b-poli(óxido de etileno) las dispersiones muestran un aumento en el módulo de almacenamiento en dos órdenes de magnitud tras la reticulación del núcleo durante las mediciones reológicas^1,2. Curiosamente, muchos de estos sistemas se sintetizan a través del autoensamblaje de copolímeros de bloques,ya sea a través de métodos más tradicionales de conmutación de disolventes y rehidratación de película delgada 3, o métodos más avanzados como métodos más avanzados como Autoensamblaje inducido por polimerización y autoensamblaje basado en cristalización (CDSA)^4,5. Cada técnica tiene sus propias ventajas, sin embargo, sólo CDSA puede producir partículas rígidas con una distribución uniforme y controlable de la longitud.

El trabajo pionero de Gilroy et al. formó cilindros largos de poliferrocenylsilano b -polydimethylsiloxane (PFS-PDMS) en hexanos y, cuando se utiliza una sonicación leve, cilindros muy cortos con una dispersidad de baja longitud de contorno (L_n). Tras la adición de una masa predeterminada de cadenas de copolímero dibloque en un disolvente común, se sintetizaron cilindros de longitudes variables con una L_n tan bajas como 1,03^5,6. Los trabajos posteriores del grupo Manners destacaron el alto grado de control posible con el sistema PFS, que puede utilizarse para formar estructuras notablemente complejas y jerárquicas: células de bloque, bufanda en forma y micelas de mancuerna, por nombrar unos^{7, 8}. A raíz de estas demostraciones, los investigadores investigaron otros sistemas más funcionales para la CDSA, incluidos: polímeros de productos básicos semicristalinos (polietileno, poli(-caprolactona), polilactida)^{9,10 ,11,12,13} y polímeros conductores (poli(3-hexylthiophene), poliselenofeno)^14,15. Armados con esta caja de herramientas de sistemas de copolímero dibloque que se pueden montar de forma rápida y eficiente, los investigadores han llevado a cabo investigaciones más basadas en aplicaciones en los últimos años^16.  Jin et al. han demostrado longitudes de difusión de excidores en los cientos de nanómetros en copolímeros de bloque de politiofeno y nuestro grupo demostró la formación de geles a partir de poli(o-caprolactone) (PCL) que contiene construcciones cilíndricas^{10, 17}.

Aunque es una técnica poderosa, CDSA tiene sus limitaciones. Los copolímeros de bloque deben tener un componente semicristalino, así como valores de baja dispersidad y fideidades de grupo de gama alta; contaminantes de bloques de orden inferior pueden causar agregación de partículas o inducir cambios morfológicos^18,19. Debido a estas restricciones, se utilizan polimerizaciones vivas. Sin embargo, se requieren importantes procedimientos de purificación de reactivos, secado y ambientes libres de agua/oxígeno para lograr polímeros con las propiedades antes mencionadas. Se ha intentado diseñar sistemas que superen esto. Por ejemplo, se han formado copolímeros de bloque PFS utilizando la química de clics para acoplar cadenas de polímeros²⁰. Aunque las nanopartículas cilíndricas resultantes han demostrado propiedades ejemplares, los copolímeros de bloque son típicamente purificados por cromatografía de exclusión de tamaño preparativo y la síntesis de SLP todavía requiere el uso de Polimerizaciones. Nuestro grupo recientemente se dio cuenta de la CDSA viva de PCL, cuyo éxito giró en torno al uso de polimerizaciones de apertura de anillo (ROP) catadas por organobase vivas y polimerizaciones reversibles de transferencia de cadena de fragmentación de adición (RAFT)^10. Aunque este método es más simple, todavía se requieren polimerizaciones vivas.

A medida que el campo avanza hacia una investigación más orientada a la aplicación, y debido a los problemas asociados con las polimerizaciones vivas, se cree que un esquema de los protocolos de síntesis de polímeros y autoensamblaje será ventajoso para el trabajo científico futuro. Por lo tanto, en este manuscrito, se describe la síntesis completa y el autoensamblaje de un copolímero PCL-b-PMMA-b-PDMA. Las técnicas de secado se destacarán en el contexto de una ROP organocatalizada de -caprolactona y se esbozarán las posteriores polimerizaciones RAFT de MMA y DMA. Por último, se presentará un protocolo CDSA vivo para este polímero en etanol y se criticarán los errores comunes en los datos de caracterización debido a una mala técnica experimental.

Protocolo

1. Secado de tolueno

NOTA: Si tiene acceso a torres de disolvente seco, recoja el tolueno y las desgasés mediante cinco ciclos de congelación-bomba-descongelación.

1. Seque los tamices moleculares de 3o en un matraz Schlenk de 250 ml a 250-300 oC al vacío durante 48 h y transfiera a una guantera.
2. Secar dos ampollas en el horno a 150 oC durante la noche y transferirlas a la guantera.
3. Transfiera los tamices moleculares activados a las dos ampollas y retírelos de la guantera.
4. Secar un matraz de fondo redondo de dos cuellos (RBF) y añadir 100 ml de tolueno, cuyo volumen equivale, como máximo, a la mitad del volumen de la ampolla. Añadir 1,0 g de CaH₂ al tolueno y remover.
   ADVERTENCIA: Tenga cuidado con la liberación H₂ en este punto. Agregue siempre CaH₂ bajo un flujo constante de nitrógeno para eliminar cualquier acumulación de H₂ en el matraz.
5. Transfiera el tolueno a una de las ampollas que contienen los tamices moleculares con una cánula de filtro y descanse durante la noche.
6. Transfiera el tolueno a la última ampolla que contenga tamices con una cánula de filtro. Congelar-bomba-descongelar (5 ciclos) el tolueno y transferir a una guantera.

2. Secado del CTA-iniciador/DPP

1. Añadir el agente de transferencia de cadena/iniciador a un vial, asegurando con papel tisú.
2. Añadir 10 g de P₂O₅ en un desecador. Coloque el vial por encima del polvo.
3. Coloque el desecador bajo vacío dinámico durante 8 h y vacío estático durante la noche.
4. Abra el desecador para agitar el P₂O₅. Reanude los ciclos de vacío durante 5 días.
   NOTA: El P₂O₅ puede decolorarse o convertirse en grumoso si hay exceso de disolvente/agua. Reemplace el P₂O₅ si se observa.
5. Rellene el desecador con nitrógeno y transfiera a una guantera.

3. Secado/Purificación de la caprolactona

NOTA: Para esta sección, todas las cristalerías y barras de agitación deben haberse secado en un horno de 150 oC durante la noche antes de su uso. Esto eliminará toda el agua de las superficies del vidrio.

1. Añadir 100 ml de caprolactona a un RBF de dos cuellos de 250 ml equipado con una barra de agitador y toque en el cuello pequeño.
2. Añadir 1,0 g de hidruro de calcio en el RBF, bajo un flujo constante de nitrógeno. Ajuste con un tapón de vidrio y revuelva durante la noche a temperatura ambiente bajo una atmósfera de nitrógeno.
3. Seque el equipo de destilación al vacío.
4. Fije el matraz de dos cuellos a una línea de Schlenk y purgue evacuando y llene con nitrógeno tres veces. Después de purgar, abra la línea a un flujo constante de nitrógeno.
5. Montar el equipo de destilación al vacío de la -caprolactona RBF, manteniendo un flujo constante de nitrógeno para evitar que el agua entre en el sistema. Coloque el termómetro y el sello en su lugar.
6. Conecte el adaptador a la línea Schlenk. Retire el flujo de nitrógeno y coloque el sistema bajo vacío bajo esta nueva conexión.
7. Calentar la caprolactona a 60-80 oC, recogiendo los primeros 5,0 ml en los pequeños RBF y el resto en el RBF de dos cuellos. Coloque los matraces en nitrógeno líquido para condensar la caprolactona eficazmente. Envuelva el equipo de destilación en lana de algodón y papel de aluminio para acelerar el proceso.
8. Fije la línea Schlenk al matraz de recogida y purgue la línea tres veces. Gire la línea al nitrógeno y abra el grifo. Añadir 1,0 g de hidruro de calcio al matraz, y un tapón, luego dejar bajo una atmósfera de nitrógeno revolviendo durante la noche.
9. Mientras tanto, eliminar el exceso de hidruro de calcio por la adición por gota de isopropanol, seguido de 5,0 ml de metanol y luego un exceso de agua una vez que cesa el burbujeo. Enjuague la cristalería con acetona y colóquela en el horno durante la noche.
10. Repita la destilación al vacío de nuevo, sin añadir CaH₂ al monómero una vez terminado. En su lugar, transferir la caprolactona a través de cánula en una ampolla y transferir a la guantera.

4. Polimerización de apertura de anillo de la caprolactona

1. Preparar soluciones de stock de iniciador, catalizador y monómero. Pesar 0,10 g de fosfato de difenil, 0,011 g de CTA-OH y 0,25 g de caprolactona en tres viales separados. Añadir 0,5 ml de tolueno a cada uno de los viales del iniciador y catalizador y agitar suavemente hasta que los reactivos se disuelvan.
2. Mezcle las soluciones de stock de fosfato de difenil y iniciador en un vial y agregue una barra de agitación.
3. En un movimiento moderado, agregue el monómero al vial del iniciador/catalizador. Coloque el vial con una tapa y revuelva durante 8 h a temperatura ambiente.
4. Después de 8 h, retire el vial de la guantera e precipitar inmediatamente en un exceso de éter dietílico frío en forma de gota.
5. Filtrar el sólido blanco, secar y disolver en 1 ml de tetrahidrofurano (THF). Precipitar dos veces más y secar bien.

5. Polimerización RAFT de metacrilato de metilo y N,N-dimetilacrilamida

1. Para retirar los estabilizadores del dioxano y de la MMA, prepare varios tapones básicos de alúmina en pipetas Pasteur y filtre los líquidos en viales separados.
2. Pesar 0,5 g de PCL sintetizado previamente, 0,424 g de metacrilato de metilo y medir 2 ml de dioxano en un vial y dejar disolver.
3. Preparar una solución en stock de azobisisobutyronitrile puro (AIBN, 10 mg en 1,0 ml) y pipeta en 139 ml en la mezcla de reacción. Traslado a una ampolla equipada con barra de agitación y sello.
4. Congele la solución tres veces. Rellene con nitrógeno y coloque la ampolla en un baño de aceite precalentado a 65 oC durante 4 h.
   NOTA: No caliente el recipiente con nada más de 30 oC antes de que se completen los ciclos de congelación-bomba-descongelación, ya que esto puede hacer que el iniciador se descomponga.
5. Para supervisar la conversión, retire la ampolla del baño de aceite. Cambie la tapa por un sello suba bajo un flujo de nitrógeno, retire dos gotas y mezcle con cloroformo deuterado. Ejecuta un espectro de protones en un instrumento de RMN.
6. Coloque la ampolla en nitrógeno líquido hasta que se congele y abra la ampolla al aire para saciar la polimerización.
7. Precipitar la mezcla en el sentido de la gota en un gran exceso de éter dietílico frío. Aislar por filtración Buchner y secar.
8. Tome el polímero en THF y precipitados dos veces más. Seque bien el polímero y analice mediante ¹espectroscopia de RMN H y cromatografía por permeación en gel (GPC).
9. Siga este procedimiento de nuevo, pero con 0,5 g de PCL-PMMA, 1.406 g de DMA, 2.0 mL de dioxano y 111 l de 10 mg.mL^-1 AIBN en dioxano. Calentar la polimerización a 70 oC durante 1 h y precipitar la mezcla de reacción en éter dietílico frío tres veces.

6. Autonucleación, generación de semillas y autoensamblaje impulsado por la cristalización viva

1. Coloque 5,0 mg de copolímero tribloque en un vial y agregue 1,0 ml de etanol. Sellar el vial con tapa y parafilm y calentar a 70oC durante 3 h.
2. Deje que el vial se enfríe lentamente a temperatura ambiente. Deje que la solución envejezque a temperatura ambiente durante dos semanas. La solución se volverá turbia y formará una capa distinta en la parte inferior cuando se ensamble completamente.
3. Diluir la dispersión 5.0 mg.mL^-1 a 1.0 mg.mL^-1.
4. Coloque la dispersión en un tubo a prueba de sonicación y colóquela en un baño de hielo.
5. Inserte la punta de la sonda de sonicación en el área media de la dispersión.
6. Sonicar la solución durante quince ciclos de 2 min a la intensidad más baja, permitiendo enfriar durante 15 minutos antes del siguiente ciclo.
7. Tome una alícuota de la dispersión de 1.0 mg.mL^-1 semillas y diluya a 0.18 mg.mL^-1.
8. Preparar una solución de unimer en THF a 25 mg.mL^-1. Añadir 32,8 l en la dispersión de las semillas y agitar suavemente para permitir la disolución completa.
9. Deje que la dispersión envejezque durante tres días con la tapa ligeramente entreabierta para que el THF pueda evaporarse. Esto producirá cilindros de 500 nm de longitud si las semillas iniciales eran de 90 nm de longitud.

Resultados

El PCL fue analizado por espectroscopia de RMN ¹H y cromatografía por permeación en gel (GPC). El espectro de RMN ^{de 1}H produjo un grado de polimerización (DP) de 50, en comparación con las resonancias a 3,36 ppm y 4,08 ppm, que corresponden a los protones etílicos del grupo final y al éster en cadena, respectivamente (Figura1b). Esto proporcionó la validación de los valores de peso molecular obtenidos por GPC donde se observó u...

Discusión

Se ha descrito la síntesis y el CDSA vivo del copolímero tribloque PCL₅₀-PMMA₁₀-PDMA_200. Aunque se requieren condiciones estrictas, la polimerización de apertura de anillo de la -caprolactona dio polímeros con excelentes propiedades que permitieron las extensiones de cadena exitosas de MMA y DMA. Estos polímeros tuvieron éxito en su auto-semilla, obteniendo una fase pura de micelas cilíndricas, que fueron sonicadas en partículas de semillas de L_N 98 nm. A trav?...

Materiales

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