Synthèse de nanoparticules cylindriques monodispersées par l'auto-assemblage de copolymères de blocs biodégradables

Résumé

L'auto-assemblage piloté par la cristallisation (CDSA) montre la capacité unique de fabriquer des nanostructures cylindriques de distributions de longueur étroite. La polymérisation organocatalysée d'ouverture d'anneau de la caprolactone et les extensions suivantes de chaîne du méthacrylate de méthyle et de l'acrylamide de N,N-dimethyl sont démontrées. Un protocole CDSA vivant qui produit des cylindres monodisperse jusqu'à 500 nm de longueur est décrit.

Résumé

La production de micelles cylindriques monodispersées est un défi important dans la chimie des polymères. La plupart des constructions cylindriques formées à partir de copolymères diblock sont produites par l'une des trois techniques : réhydratation de film mince, commutation de solvant ou auto-assemblage induit par la polymérisation, et ne produisent que des cylindres flexibles et polydispersés. L'auto-assemblage piloté par la cristallisation (CDSA) est une méthode qui peut produire des cylindres avec ces propriétés, en stabilisant les structures d'une courbure inférieure due à la formation d'un noyau cristallin. Cependant, les techniques vivantes de polymérisation par lesquelles la plupart des blocs de formation de noyau sont formés ne sont pas des processus insignifiants et le processus de CDSA peut produire des résultats insatisfaisants s'il est exécuté incorrectement. Ici, la synthèse des nanoparticules cylindriques à partir de réactifs simples est montrée. Le séchage et la purification des réactifs avant une polymérisation d'ouverture de l'anneau de la catalysée par le phosphate de diphenyl est décrit. Ce polymère est ensuite prolongé par le méthacrylate méthyle (MMA) suivi de l'acrylamide n,N-diméthyl (DMA) utilisant la polymérisation réversible de chaîne de transfert de chaîne d'addition-fragmentation (RAFT), offrant un copolymère de tribloc qui peut subir CDSA dans alcool. Le processus CDSA vivant est décrit, dont les résultats donnent des nanoparticules cylindriques jusqu'à 500 nm de longueur et une distance de distance aussi faible que 1,05. On s'attend à ce que ces protocoles permettent à d'autres de produire des nanostructures cylindriques et d'élever le champ de l'ACSA à l'avenir.

Introduction

Les nanostructures unidimensionnelles (1D), telles que les cylindres, les fibres et les tubes, ont attiré l'attention croissante dans une variété de domaines. Parmi ceux-ci, leur popularité dans la science des polymères est due à leur riche variété de propriétés. Par exemple, Geng et coll. ont démontré que les filomicelles présentent une multiplication par dix du temps de résidence dans la circulation sanguine d'un modèle de rongeur par rapport à leurs homologues sphériques, et Won et coll. ont révélé que la fibre de polybutadiene-b-poly(oxyde d'éthylène) les dispersions montrent une augmentation du modulus de stockage de deux ordres de grandeur sur le crosslinking du noyau pendant les mesures rhéologiques^1,2. Fait intéressant, beaucoup de ces systèmes sont synthétisés par l'auto-assemblage de copolymères de bloc, que ce soit par des méthodes plus traditionnelles de commutation de solvant et de réhydratation à couches minces³, ou des méthodes plus avancées telles que auto-assemblage induit par la polymérisation et l'auto-assemblage axé sur la cristallisation (CDSA)^4,5. Chaque technique présente ses propres avantages, cependant, seule la CDSA peut produire des particules rigides avec une distribution de longueur uniforme et contrôlable.

Les travaux pionniers de Gilroy et coll. ont forméde longs cylindres polyferrocenylsilane- b-polydimethylsiloxane (PFS-PDMS) en hexanes et, lorsqu'ils utilisent une sonication douce, des cylindres très courts avec une faible distance de longueur de contour (L_n). Sur l'ajout d'une masse prédéterminée de chaînes de copolymère diblock dans un solvant commun, des cylindres de longueurs variables avec un L_n aussi bas que 1,03 ont été synthétisés^5,6. D'autres travaux du groupe Manners ont mis en évidence le haut degré de contrôle possible avec le système PFS, qui peut être utilisé pour former des structures remarquablement complexes et hiérarchiques: bloc-co-micelles, écharpe en forme et haltèremicelles pour n'en nommer que^{quelques-uns 7, 8}. À la suite de ces démonstrations, les chercheurs ont étudié d'autres systèmes plus fonctionnels pour l'ACSA, notamment les polymères semi-cristallins (polyéthylène, polyolitoctomie), polylactide)^{9,10 ,11,12,13} et polymères conducteurs (poly(3-hexylthiophène), polyselenophéne)^14,15. Armés de cette boîte à outils de systèmes de copolymère diblock qui peuvent être assemblés rapidement et efficacement, les chercheurs ont effectué plus de recherche axée sur les applications au cours des dernières années¹⁶.  Jin et coll. ont démontré des longueurs de diffusion d'exciton dans les centaines de nanomètres dans les copolymères de bloc de polythiophène et notre groupe a démontré la formation des gels de poly () (PCL) contenant des constructions cylindriques^{10, 17}.

Bien qu'il s'agit d'une technique puissante, CDSA a ses limites. Les copolymères de bloc doivent avoir un composant semi-cristallin, ainsi que des valeurs de faible dispersion et des fidelités de groupe haut de gamme; les contaminants de bloc d'ordre inférieur peuvent causer l'agrégation de particules ou induire des changements de morphologie^18,19. En raison de ces restrictions, des polymérisations vivantes sont utilisées. Cependant, la purification significative de réactif, les procédures de séchage et les environnements libres d'eau/oxygène sont exigés afin d'obtenir des polymères avec les propriétés mentionnées ci-dessus. Des tentatives ont été faites pour concevoir des systèmes qui surmontent cela. Par exemple, les copolymères de bloc de PFS ont été formés utilisant la chimie de clic pour coupler des chaînes de polymère ensemble²⁰. Bien que les nanoparticules cylindriques qui en résultent aient démontré des propriétés exemplaires, les copolymères de bloc sont généralement purifiés par la chromatographie d'exclusion de taille préparative et la synthèse du PFS exige toujours l'utilisation de l'anionique vivant polymérisations. Notre groupe a récemment réalisé le CDSA vivant de PCL, dont le succès tournait autour de l'utilisation à la fois des polymérisations d'ouverture d'anneau organobase-catalysées vivantes (ROP) et des polymérisations réversibles de transfert de chaîne de fragmentation d'addition (RAFT)¹⁰. Bien que cette méthode soit plus simple, des polymérisations vivantes sont encore nécessaires.

Comme le domaine s'oriente vers une recherche davantage axée sur les applications, et en raison des problèmes associés aux polymérisations vivantes, on croit qu'un aperçu des protocoles de synthèse et d'auto-assemblage des polymères sera avantageux pour les travaux scientifiques futurs. Ainsi, dans ce manuscrit, la synthèse complète et l'auto-assemblage d'un COpolymère PCL-b-PMMA-b-PDMA est décrite. Les techniques de séchage seront mises en évidence dans le contexte d'un ROP organocatalysé de la caprolactone et les polymérisations RAFT subséquentes de MMA et DMA seront décrites. Enfin, un protocole CDSA vivant pour ce polymère dans l'éthanol sera présenté et des erreurs courantes dans les données de caractérisation en raison d'une mauvaise technique expérimentale seront critiquées.

Protocole

1. Séchage du toluène

REMARQUE : Si vous avez accès à des tours de solvants secs, collectez le toluène et le dégazage par cinq cycles de gel-pompe-dégel.

1. Sécher les tamis moléculaires de 3 degrés dans un flacon Schlenk de 250 ml à 250-300 oC sous vide pendant 48 h et le transférer dans une boîte à gants.
2. Séchez deux ampoules au four à 150 oC pendant la nuit et transférez-les dans la boîte à gants.
3. Transférer les tamis moléculaires activés dans les deux ampoules et retirer de la boîte à gants.
4. Séchez un flacon à deux cous à fond rond (RBF) et ajoutez 100 ml de toluène, dont le volume correspond, tout au plus, à la moitié du volume d'ampoule. Ajouter 1,0 g de CaH₂ au toluène et remuer.
   CAUTION: Faites attention à la libération H₂ à ce stade. Toujours ajouter CaH₂ sous un flux régulier d'azote pour enlever tout H₂ s'accumulent dans le flacon.
5. Transférer le toluène dans l'une des ampoules contenant les tamis moléculaires à l'arme à l'air d'un filtre et reposer toute la nuit.
6. Transférer le toluène dans la dernière ampoule contenant des tamis à l'arme à l'aise avec un filtre. Congeler-pompe-dégel (5 cycles) le toluène et transférer dans une boîte à gants.

2. Séchage de l'initiateur/DPP cTA

1. Ajouter l'agent de transfert de chaîne/initiateur à un flacon, en s'ensécurisant avec du papier de soie.
2. Ajouter 10 g de P₂O₅ dans un dessiccateur. Placer le flacon au-dessus de la poudre.
3. Placer le dessiccateur sous vide dynamique pendant 8 h et passer le vide statique pendant la nuit.
4. Ouvrez le dessiccateur pour agiter le P₂O₅. Reprendre les cycles sous vide pendant 5 jours.
   REMARQUE : Le P₂O₅ peut se décolorer ou devenir agglomérant si un excès de solvant/eau est présent. Remplacer le P₂O₅ si cela est observé.
5. Remplissez le dessiccateur avec de l'azote et transférez-le dans une boîte à gants.

3. Séchage/Purification de la caprolactone

REMARQUE : Pour cette section, toutes les barres de verrerie et d'agitateur doivent avoir été séchées dans un four à 150 oC pendant la nuit avant d'être utilisées. Cela permettra d'enlever toute l'eau des surfaces du verre.

1. Ajouter 100 ml de caprolactone à un RBF à deux cous de 250 ml équipé d'une barre d'agitateur et appuyez sur le petit cou.
2. Ajouter 1,0 g d'hydride de calcium dans le FRB, sous un flux régulier d'azote. Ajuster avec un bouchon de verre et remuer toute la nuit à température ambiante sous une atmosphère d'azote.
3. Sécher l'équipement de distillation sous vide.
4. Fixez le flacon à deux cous à une ligne Schlenk et purgez-le en évacuant et en remplissant d'azote trois fois. Après la purge, ouvrez la ligne à un flux régulier d'azote.
5. Assembler l'équipement de distillation sous vide de la fBR de la caprolactone, en maintenant un flux régulier d'azote pour empêcher l'eau d'entrer dans le système. Fixez le thermomètre et scellez en place.
6. Attachez l'adaptateur à la ligne Schlenk. Retirez le flux d'azote et placez le système sous vide sous cette nouvelle connexion.
7. Chauffer la caprolactone à 60-80 oC, en recueillant les premiers 5,0 ml dans les petits FBR et le reste dans le RBF à deux cous. Placer les flacons dans de l'azote liquide pour condenser efficacement la caprolactone. Enveloppez l'équipement de distillation dans de la laine de coton et du papier d'aluminium pour accélérer le processus.
8. Fixez la ligne Schlenk à la fiole de collecte et purgez la ligne trois fois. Tourner la ligne en azote et ouvrir le robinet. Ajouter 1,0 g d'hydride de calcium sur le flacon, et un bouchon, puis laisser sous une atmosphère d'azote en remuant toute la nuit.
9. Pendant ce temps, éliminer l'excès d'hydride de calcium par l'ajout dropwise de l'isopropanol, suivie de 5,0 ml de méthanol, puis un excès d'eau une fois bouillonnant cesse. Rincer la verrerie avec de l'acétone et la mettre au four toute la nuit.
10. Répéter la distillation sous vide à nouveau, sans ajouter CaH₂ au monomère une fois terminé. Au lieu de cela, transférer la caprolactone via canule dans une ampoule et transférer à la boîte à gants.

4. Polymérisation d'ouverture d'anneau de 'caprolactone'

1. Préparer des solutions stock de l'initiateur, catalyseur et monomère. Peser 0,10 g de phosphate de diphenyl, 0,011 g de CTA-OH et 0,25 g de caprolactone en trois flacons distincts. Ajouter 0,5 ml de toluène à chacun des flacons initiateurs et catalyseurs et agiter doucement jusqu'à ce que les réactifs soient dissous.
2. Mélanger l'initiateur et les solutions de stock de phosphate de diphenyl dans une fiole et ajouter une barre d'agitation.
3. Sous un remuement modéré, ajouter le monomère dans le flacon initiateur/catalyseur. Ajuster le flacon avec un couvercle et remuer pendant 8 h à température ambiante.
4. Après 8 h, retirer le flacon de la boîte à gants et précipiter immédiatement dans un excès d'éther froid de diethyl goutte à goutte.
5. Filtrer le solide blanc, sécher et dissoudre dans 1 ml de tétrahydrofuran (THF). Précipitez deux fois de plus et séchez bien.

5. raft polymérisation du méthyle méthacrylate et N,N-dimethylacrylamide

1. Pour retirer les stabilisateurs du dioxane et du MMA, préparez plusieurs bouchons d'alumine de base dans les pipettes Pasteur et filtrez les liquides en flacons séparés.
2. Peser 0,5 g de PCL synthétisé précédemment, 0,424 g de méthyle méthyllate et mesurer 2 mL de dioxane dans une fiole et permettre de se dissoudre.
3. Préparer une solution de bouillon d'azobisisobutyronitrile pur (AIBN, 10 mg en 1,0 ml) et de pipette en 139 L dans le mélange de réaction. Transférer dans une ampoule équipée d'une barre d'agitation et sceller.
4. Congeler-pompe-dégel de la solution trois fois. Remblai avec de l'azote et placez l'ampoule dans un bain d'huile préchauffé à 65 oC pendant 4 h.
   REMARQUE : Ne chauffez pas le récipient avec quoi que ce soit de plus de 30 oC avant que les cycles de gel-pompe-dégel ne soient terminés, car cela peut entraîner la décomposition de l'initiateur.
5. Pour surveiller la conversion, retirer l'ampoule du bain d'huile. Changer le bouchon pour un joint suba sous un flux d'azote, retirer deux gouttes et mélanger avec du chloroforme dilué. Exécuter un spectre de protons sur un instrument RMN.
6. Placer l'ampoule dans l'azote liquide jusqu'à ce qu'elle soit congelée et ouvrir l'ampoule à l'air pour étancher la polymérisation.
7. Précipitez le mélange dans le sens de la goutte dans un vaste excès d'éther froid de diéthyle. Isoler par buchner filtration et sec.
8. Prenez le polymère dans THF et précipiter deux fois plus. Séchez soigneusement le polymère et analysez par ¹H NMR spectroscopie et la chromatographie de perméation de gel (GPC).
9. Suivez cette procédure à nouveau, mais avec 0,5 g de PCL-PMMA, 1,406 g de DMA, 2,0 ml de dioxane et 111 l de 10 mg.mL^-1 AIBN en dioxane. Chauffer la polymérisation à 70 oC pendant 1 h et précipiter le mélange de réaction en éther froid de diéthyle trois fois.

6. Autonucléation, production de semences et auto-assemblage axé sur la cristallisation vivante

1. Placer 5,0 mg de copolymère tribloc dans un flacon et ajouter 1,0 ml d'éthanol. Sceller le flacon à l'aide d'un couvercle et d'un parafilm et chauffer à 70 oC pendant 3 h.
2. Laisser refroidir lentement le flacon à température ambiante. Laissez la solution vieillir à température ambiante pendant deux semaines. La solution deviendra trouble et formera une couche distincte au fond une fois entièrement assemblée.
3. Diluer la dispersion de 5,0 mg.mL^-1 à 1,0 mg.mL^-1.
4. Placez la dispersion dans un tube à l'épreuve de la sonication et placez-la dans un bain de glace.
5. Insérez la pointe de la sonde de sonication dans la zone médiane de la dispersion.
6. Sonicate la solution pendant quinze cycles de 2 min à l'intensité la plus faible, permettant de refroidir pendant 15 min avant le cycle suivant.
7. Prenez un aliquot de la 1.0 mg.mL^-1 dispersion des graines et diluez-vous à 0,18 mg.mL^-1.
8. Préparer une solution d'unimer en THF à 25 mg.mL^-1. Ajouter 32,8 L dans la dispersion des graines et secouer doucement pour permettre une dissolution complète.
9. Laissez la dispersion vieillir pendant trois jours avec le couvercle légèrement entrouvert afin que le THF puisse s'évaporer. Cela produira des cylindres de 500 nm de longueur si les graines de départ étaient de 90 nm de longueur.

Résultats

Le PCL a été analysé par ¹H NMR spectroscopy et chromatographie de perméation de gel (GPC). Le spectre de ¹H RMN a donné un degré de polymérisation (DP) de 50, en comparant les résonances à 3,36 ppm et 4,08 ppm, qui correspondent aux protons éthyliques du groupe final et aux ester en chaîne - protons respectivement (figure 1b). Cela a permis de valider les valeurs de poids moléculaire obtenues par GPC lorsqu'un seul pic, d'un...

Discussion

La synthèse et le CDSA vivant du copolymère tribloc PCL₅₀-PMMA₁₀-PDMA₂₀₀ a été décrit. Bien que des conditions strictes soient exigées, la polymérisation d'ouverture d'anneau de la caprolactone a donné des polymères avec d'excellentes propriétés qui ont permis les extensions réussies de chaîne de MMA et de DMA. Ces polymères ont réussi leur auto-ensemencement, obtenant une phase pure des micelles cylindriques, qui ont été sonicated en particules de graine de L_N

matériels

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