סינתזה של חלקיקים מונוטהתפזר גלילי באמצעות התגבשות עצמית מונחה-הרכבה של סופולימרים מתכלים לחסום

Summary

הרכבה עצמית מונחית התגבשות (CDSA) מציגה את היכולת הייחודית לייצור מבנים ננו-רובוטים של הפצות באורך צר. הטבעת האורגניטיבית פותחת את הε-הקרניים והרחבות השרשרת העוקבות של מתיל מתיונין ו- n, מומחש n-dimethyl תיל אקרילאמיד. פרוטוקול CDSA חי אשר מייצרת גלילים של עד 500 ננומטר באורך מחולקת לרוחב.

Abstract

הייצור של מיקרוצילות גלילים גלילי הוא אתגר משמעותי בכימיה פולימר. רוב המבנים הגליליים שנוצרו בעזרת אחת משלוש הטכניקות: מעבר הסרט הדק, החלפת ממיסים או הרכבה עצמית מושרה, ומייצרים רק צילינדרים גמישים ומבודדים. הרכבה עצמית מבוססת התגבשות (CDSA) היא שיטה שיכולה לייצר צילינדרים עם מאפיינים אלה, על ידי ייצוב מבנים של עקמומיות נמוכה יותר בשל היווצרות ליבה גבישי. עם זאת, טכניקות החיים שבהן נוצרות רוב אבני היסוד, אינן תהליכים טריוויאליים ותהליך CDSA עשוי להניב תוצאות בלתי מספקות אם בוצעו באופן שגוי. כאן, סינתזה של חלקיקים גליליים מן ריאגנטים פשוטים מוצג. ייבוש וטיהור של ריאגנטים לפני הטבעת פתח פולימוניזציה של ε-caprolactone מזרז על ידי diphenyl פוספט מתואר. פולימר זה לאחר מכן שרשרת מורחבת על ידי מתיל מתיונין (MMA) ואחריו n-diמתיל אקרילאמיד (DMA) באמצעות תוספת הפיך-פיצול שרשרת העברת (רפסודה) פולימור, המאפשר משולש מסוג מפוצל שיכול לעבור cdsa ב אתנול. תהליך CDSA חי מחולקת, התוצאות של אשר יבול חלקיקי חלקיקים עד 500 ננומטר באורך ואורך מפזר נמוך כמו 1.05. צפוי כי פרוטוקולים אלה יאפשרו לאחרים לייצר מבני ננו גלילי ולהעלות את התחום של CDSA בעתיד.

Introduction

חד-מימדי (1D) ננו-מבנים, כגון צילינדרים, סיבים וצינורות, צברה תשומת לב גוברת במגוון שדות. בין אלה, הפופולריות שלהם במדעי הפולימר הוא חב מגוון עשיר של נכסים שלהם. לדוגמה, Geng ואח ' הראו כי filomאיסלנדי התערוכה עלייה של פי עשרה בזמן מגורים במחזור הדם של מודל מכרסם לעומת עמיתיהם כדורית שלהם, ו וון ואח ' חשף כי polybu,b-פולי (אתילן אוקסיד) סיבים דיספרסיות להציג גידול במאגר מודולוס על ידי שתי הזמנות של סדר גודל על הקישור של הליבה במהלך מדידות rheological^1,2. מעניין, רבים של מערכות אלה מסונתז באמצעות הרכבה עצמית של סופולימרים לחסום, אם זה להיות באמצעות שיטות מסורתיות יותר של מיתוג ממיסים ו-סרט דק לחות³, או שיטות מתקדמות יותר כגון פולימוניזציה המושרה להרכבה עצמית והתגבשות עצמית מוכוונת-מונחה (cdsa)^4,5. כל טכניקה מחזיקה את היתרונות שלהם, עם זאת, רק CDSA יכול לייצר חלקיקים נוקשים עם התפלגות אחידה אחיד וניתן לשליטה.

החלוצי של העבודה מאת גילרוי ואח '. הקימו ארוך פוליפרוצילסילאן-b-polydiמתיל siloxane (PFS-pdms) צילינדרים ב הבעיה ו, כאשר באמצעות sonication מתון, צילינדרים קצרים מאוד עם אורך מתאר נמוך מפזר (L_n). עם תוספת של מסה קבועה מראש של שרשראות diblock סופולימר בתוך מממס משותף, גלילים של אורכים שונים עם L_n נמוך כמו 1.03 היו הסינטייום^5,6. עבודה נוספת של קבוצת הנימוסים הדגישה את דרגת השליטה הגבוהה האפשרית עם מערכת PFS, שעשויה לשמש ליצירת מבנים מורכבים ויררכית במיוחד: בלוק-מיקרולים, בצורת צעיף ומשקולית כדי לנקוב במספר^{7, 8}. בעקבות הפגנות אלה חקרו החוקרים את המערכות האחרות, הפונקציונליות יותר של cdsa, כולל: פולימרים למחצה של סחורות (פוליאתילן, פולי (ε-caprolactone), הפולני)^{9,10 ,11,12,13} ומבצעים פולימרים (פולי (3-hexylophene), פוליסלינוזה)^14,15. חמוש עם ארגז כלים זה של diblock מערכות סופולימר שניתן להרכיב במהירות וביעילות, החוקרים ביצעו מחקר מונחה יישומים יותר בשנים האחרונות¹⁶.  ג'ין ואח ' הפגינו מרגש על אורכי דיפוזיה במאות ננומטר ב polythiophene בלוק סופולימרים והקבוצה שלנו הפגינו היווצרות של ג ' לים מ פולי (ε-calactone) (PCL) המכיל בונה גלילי^10, . ^{שבע עשרה}

למרות זאת היא טכניקה רבת עוצמה, CDSA יש מגבלות שלה. לגוש הסופולימרים חייב להיות רכיב גבישי למחצה, כמו גם ערכי מפזרים נמוכים והתמודשות של הקבוצה הגבוהה; לחסום הסדר התחתון מזהמים עלולים לגרום לצבירת חלקיקים או לגרום לשינוי מורפולוגיה^18,19. בשל ההגבלות הללו, משתמשים בפוליריניזציות חיים. עם זאת, יש צורך בטיהור משמעותי, בהליכי ייבוש ובסביבות מים/חמצן, כדי להשיג פולימרים עם המאפיינים הנ ל. נעשו ניסיונות לעצב מערכות שהתגבר על זה. לדוגמה, PFS בלוק סופולימרים נוצרו באמצעות כימיה לחץ לזוג שרשראות פולימר יחד²⁰. למרות חלקיקי הגליל וכתוצאה מכך הפגינו תכונות מופת, הסופולימרים בלוקים מטוהרים בדרך כלל על ידי הכללה בגודל המקובל כרומטוגרפיה הסינתזה של PFS עדיין דורש את השימוש באנייוני חיים מריריציות. הקבוצה שלנו הבינה לאחרונה CDSA החיים של PCL, הצלחת אשר הסתובב סביב באמצעות שניהם אורגאוסיס הטבעת החיים-הפתיחה פוליריציות (ROP) ו הפיך תוספת-פיצול שרשרת העברת (רפסודה) polymerizations¹⁰. למרות ששיטה זו פשוטה יותר, ריבוי החיות עדיין נדרש.

ככל שהשדה מתקדם לקראת מחקר מונחה יישומים, ובגלל הבעיות הקשורות לפוליריציות חי, הוא האמין כי המתאר של סינתזה הפולימר ופרוטוקולי ההרכבה העצמית יהיה יתרון לעבודה מדעית עתידית. לפיכך, בכתב היד הזה, סינתזה מלאה והרכבה עצמית של PCL-b-pmma-b-pdma מתואר. טכניקות ייבוש יהיה מודגש בהקשר של ROP אורגונציאליל של ε-caprolactone ואת הבאים מגוון הרפסודה של MMA ו-DMA יהיה מיתאר. בסופו של דבר, פרוטוקול CDSA חי עבור פולימר זה באתנול יוצגו ושגיאות נפוצות בנתוני אפיון בשל טכניקה ניסויית נמוכה יהיה ביקורת.

Protocol

1. ייבוש טולואן

הערה: אם יש לך גישה מגדלי ממיסים יבש, לאסוף את טולואן ו דגה על ידי חמש מחזורים הקפאת משאבת ההפשרה.

1. יבש 3 Å מולקולרית בקבוקון 250 mL שחור ב 250-300 ° c תחת ואקום עבור 48 h ולהעביר לתוך קופסה.
2. שתי מעלות מייבשים בתנור ב-150 ° c ומעבירים אותם לתוך הקופסה.
3. להעביר את החתכים המולקולריים שהופעלו לתוך שני האמפר ולהסיר מהתיבה glovebox.
4. יבש בקבוקון שני הצוואר התחתון (RBF) ולהוסיף 100 mL של toluene, את הנפח של אשר שווה, לכל היותר, מחצית הנפח המפבש. הוסיפו 1.0 גרם של הדבר השני לטולואן ולמהומה.
   התראה: היזהר ממהדורת H₂ בשלב זה. הוסף תמיד את השעה₂ תחת זרם קבוע של חנקן כדי להסיר כל H₂ לבנות את הבקבוקון.
5. העבירו את הטולואן לאחד האמפיאוונים המכילים את הסירים המולקולריים עם צינורית סינון ומנוחה בן לילה.
6. העבר את הטולואן לתוך המפתחת האחרון, המכיל את הסימאופלור עם צינורית פילטר. הקפאת משאבת-הפשרה (5 מחזורי) את טולואן ולהעביר לתוך קופסה.

2. ייבוש CTA-יוזם/DPP

1. הוסף את סוכן העברת שרשרת/יוזם לבקבוקון, אבטחה עם נייר טישו.
2. הוסף 10 גרם של P₂O₅ לתוך desiccator. הניחו את הבקבוקון מעל האבקה.
3. מניחים את הdesiccator תחת ואקום דינמי עבור 8 h ו ואקום סטטי לילה.
4. פתח את desiccator להתסיס P₂O₅. לחדש את מחזורי ואקום במשך 5 ימים.
   הערה: P₂O₅ עשוי לטשטש או להיות קלומפי אם עודף הממס/מים נמצאים. החלף את P₂O₅ אם זה נצפה.
5. למלא את הdesiccator עם חנקן ולהעביר לקופסה.

3. ייבוש/טיהור של ε-caprolactone

הערה: עבור מקטע זה, כל פסי הזכוכית ומערבב הניצנים היו מיובשים בתנור של 150 ° c לפני השימוש. זה יסיר את כל המים מן המשטחים של הזכוכית.

1. הוסף 100 mL של ε-caprolactone לשני צוואר 250 mL RBF מצויד בר מערבב והקש על הצוואר הקטן.
2. הוסף 1.0 g של סידן הידריד לתוך RBF, תחת זרימה יציבה של חנקן. מתאימים לפקק זכוכית ומערבבים את הלילה בטמפרטורת החדר תחת אווירת חנקן.
3. . תייבש את הציוד של זיקוק האבק
4. חברו את הבקבוקון השני-צוואר לקו שלנק ולטיהור באמצעות פינוי ומילוי החנקן שלוש פעמים. לאחר הטיהור, לפתוח את הקו לזרימה יציבה של חנקן.
5. להרכיב את הציוד זיקוק ואקום מ ε-caprolactone RBF, שמירה על זרימה יציבה של חנקן כדי למנוע מהמים להיכנס למערכת. . חברו את המדחום והאטם למקום
6. . חברו את המתאם לקו שלנק להסיר את זרימת החנקן ולמקם את המערכת תחת ואקום תחת חיבור חדש זה.
7. לחמם את ε-caprolactone ב 60-80 ° c, איסוף הראשון 5.0 mL ב RBFs קטן ואת השאר ב-RBFS שני צוואר. מניחים את מבחנות בחנקן נוזלי כדי לדחוס את caprolactone ביעילות. לעטוף את הציוד זיקוק צמר כותנה נייר כסף כדי להאיץ את התהליך.
8. חברו את קו שלנק לבקבוקון הגבייה ומחק את הקו שלוש פעמים. הפוך את הקו לחנקן. ופתח את הברז להוסיף 1.0 g של סידן הידריד לבקבוקון, ואת פקק, ואז לעזוב תחת אווירת חנקן ערבוב לילה.
9. בינתיים, להיפטר עודף סידן הידריד על ידי התוספת הדרומה של איזופנול, ואחריו 5.0 mL של מתנול ולאחר מכן עודף מים פעם מבעבע מפסיק. לשטוף את כלי הזכוכית עם אצטון ומקום בתנור לילה.
10. חזרו שוב על זיקוק הוואקום, מבלי להוסיף את הפעם הראשונה למוניומר. במקום זאת, העבירו את הקפרולקטון דרך צינורית לתוך המבחנה והעבירו אותה לתיבת הגלווובוקס.

4. טבעת פתיחה פולימוניזציה של ε-caprolactone

1. הכינו פתרונות מלאי ליוזם, זרז ומונומר. שוקלים 0.10 g של diphenyl פוספט, 0.011 g של CTA-הו ו 0.25 g של caprolactone לתוך שלושה בבקבוקונים נפרדים. הוסף 0.5 מ ל של טולואן לכל אחד יוזם, מבחנות זרז ומתפרעים בעדינות עד הממסים הם התפרקה.
2. לערבב את יוזם ו diphenyl פוספט מניות פתרונות לתוך בקבוקון אחד ולהוסיף בר מהומה.
3. תחת ערבוב מתון, להוסיף את המונומר לתוך בקבוקון יוזם/catalyst. להתאים את המבחנה עם מכסה ומערבבים עבור 8 h בטמפרטורת החדר.
4. לאחר 8 שעות, להסיר את המבחנה מתוך כפפות ומיד מזרז לתוך עודף של האתר דיאתיל קר dropwise.
5. מסננים את הלבן המוצק, יבש ומתמוסס ב 1 מ ל של טטרהידרופורפן (THF). מזרז פעמיים ויבש ביסודיות.

5. הרפסודה של מתיל מתיונין ו n-דימתיל אקרילאמיד

1. כדי להסיר את המייצבים dioxane ו MMA, להכין מספר מצתים בסיסיים בפיפטות פסטר ולסנן את הנוזלים לתוך בבקבוקונים נפרדים.
2. שוקלים 0.5 g של PCL מסונתז בעבר, 0.424 g של מתיל מתיונין ולמדוד 2 מ ל dioxane לתוך בקבוקון ולאפשר התמוססות.
3. להכין פתרון מניות של אזוביון טהור בוטיטטריל (AIBN, 10 מ"ג ב 1.0 mL) ו פיפטה ב 139 μL לתוך תערובת התגובה. העברה לחדר מצויד עם בר מהומה וחותם.
4. הקפאת המשאבה-הפשרת הפתרון שלוש פעמים. מילוי מאחור עם חנקן ומניחים את המבחנה באמבט שמן מחומם ב-65 ° c עבור 4 שעות.
   הערה: אין לחמם את המיכל עם כל דבר שעולה על 30 ° צ' לפני השלמת מחזורי ההפשרה-הקפאת המשאבה, שכן הדבר עלול לגרום ליוזם המחזור להתפרק.
5. כדי לנטר המרה, הסר את המבחנה מאמבט השמנים. החלף את המכסה עבור חותם משנה תחת זרימת חנקן, להסיר שתי טיפות ולערבב עם כלורופורם שניוני. הפעל קשת פרוטון על כלי NMR.
6. מניחים את המבחנה בחנקן נוזלי עד שהיא קפואה ופותחת את המבחנה לאוויר כדי להרוות את הפילמור.
7. מזרז את התערובת לעודף של דיתיל קר. בידוד באמצעות סינון בוכנר ויבש.
8. לקחת את הפולימר בתוך THF ומזרז פעמיים יותר. לייבש את הפולימר ביסודיות ולנתח על ידי ¹H nmr ספקטרוסקופיה ו-ג'ל חדירות כרומטוגרפיה (gpc).
9. בצע את ההליך שוב, אבל עם 0.5 g של PCL-PMMA, 1.406 g של DMA, 2.0 mL של dioxane 111 μL של 10 mg.mL^-1 aibn ב dioxane. מחממים את הפילמור ב-70 ° c לגובה ומזרז את תערובת הריאקציה לתוך האתר הקר שלוש פעמים.

6. התגררות עצמית, ייצור זרעים והרכבה עצמית מונחה-התגבשות

1. מקום 5.0 מ"ג של triblock קוולר לתוך בקבוקון ולהוסיף 1.0 mL של אתנול. לאטום את המבחנה עם מכסה, parafilm וחום ב 70 ° c עבור 3 h.
2. להשאיר את המבחנה להתקרר לאט לטמפרטורת החדר. השאירו את הפתרון לגיל בטמפרטורת החדר לשבועיים. הפתרון יהיה מעונן ויהיה ליצור שכבה ברורה בתחתית כאשר התאספו במלואו.
3. לדלל את 5.0 mg.mL^-1 פיזור כדי 1.0 mg.mL^-1.
4. מניחים את הפיזור בתוך צינור הוכחה sonication והמקום באמבט קרח.
5. הכנס את קצה המקדח הsonication לאזור האמצעי של הפיזור.
6. Sonicate הפתרון עבור 15 מחזורים של 2 דקות בעוצמה הנמוכה ביותר, המאפשר קריר עבור 15 דקות לפני המחזור הבא.
7. לקחת סדרת מחלקים של 1.0 mg.mL^-1 זרע פיזור ולדלל כדי 0.18 mg.mL^-1.
8. הכינו פתרון של חוסר ממר ב THF ב 25 mg.mL^-1. הוסף 32.8 μL לתוך פיזור הזרעים וטלטל בעדינות כדי לאפשר פירוק מלא.
9. להשאיר את הפיזור לגיל שלושה ימים עם המכסה מעט אג'ר כך THF יכול להתאדות. זה יפיק צילינדרים של 500 ננומטר באורך אם הזרעים המתחילים היו 90 nm באורך.

תוצאות

PCL נותח על-ידי ¹H מספקטרוסקופיית וחדירות ג'ל כרומטוגרפיה (gpc). הספקטרום ¹H nmr הניב מידה של פולימור (DP) של 50, על ידי השוואה של התהודה ב 3.36 ppm ו 4.08 ppm, אשר מתאים את הקבוצה סוף הפרוטונים אתיל ואת אסתר בשרשרת α-פרוטונים בהתאמה (איור 1b). זה סיפק את האימות של ער...

Discussion

סינתזה ו-CDSA החיים של הטרילוק הסוקוייר PCL₅₀-pmma₁₀-pdma₂₀₀ כבר מחולקת. למרות הצורך בתנאים מחמירים, הטבעת הפותחת של ε-caprolactone העניקה פולימרים עם תכונות מצוינות שאפשרו הרחבות שרשרת מוצלחות של MMA ו-DMA. פולימרים אלה הצליחו בזריעה העצמית שלהם, קבלת שלב טהור של מיקרולים גלילי, אשר היו sonicate...

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