生分解性ブロック共重合体の結晶化駆動自己組織化による単分散円筒ナノ粒子の合成

要約

結晶化駆動自己アセンブリ(CDSA)は、狭い長さの分布の円筒形ナノ構造を製造するユニークな能力を表示します。ε-カプロラクトロンおよびメチルメタクリレートおよびN、N-ジメチルアクリルアミドのその後の鎖拡張の有機カプタライズリング開合重合が実証される。長さ500 nmまでの単分散シリンダーを生成する生きているCDSAプロトコルが概説される。

要約

単分散円筒ミセルの製造は、ポリマー化学における重要な課題である。ジブロック共重合体から形成されるほとんどの円筒形構造は、薄膜の水分補給、溶媒スイッチングまたは重合誘発自己アセンブリの3つの技術のいずれかによって生成され、柔軟なポリ分散シリンダのみを生成します。結晶化駆動自己集合体(CDSA)は、結晶性コアの形成に起因する低曲率の構造を安定化させることにより、これらの特性を有するシリンダを製造することができる方法である。しかし、ほとんどのコア形成ブロックが形成される生きている重合技術は些細なプロセスではなく、CDSAプロセスが間違って行われた場合、不十分な結果をもたらす可能性があります。ここで、簡易試薬からの円筒ナノ粒子の合成が示されている。リン酸ジフェニルによって触媒されたε-カプロラクトンのリング開口重合前の試薬の乾燥および精製について説明する。このポリマーは、その後、可逆的添加断片化鎖転写(RAFT)重合を用いてN、N-ジメチルアクリルアミド(DMA)に続いてメチルメタクリレート(MMA)によって鎖延長され、CDSAを受けることができるトリブロック共重合体を与えるエタノール。生きているCDSAプロセスは概説され、その結果は長さ500 nmまでの円筒形ナノ粒子および1.05の低い長さの分散を得る。これらのプロトコルは、他の人が円筒形のナノ構造を生成し、将来的にCDSAの分野を高めることを可能にすることが期待されます。

概要

シリンダー、繊維、チューブなどの1次元(1D)ナノ構造は、様々な分野で注目を集めています。その中でも、ポリマー科学における彼らの人気は、その豊富な特性に起因しています。例えば、Geng et al.は、フィロミセルが球状のモデルの血流中の滞留時間が球状に比べて10倍増加することを実証し、ウォンらはポリブタジエン-b-ポリ(エチレンオキシド)繊維であることを明らかにした。分散は、地質学的測定1、2の間にコアの架橋時に2桁のストレージモジュラスの増加を示します。興味深いことに、これらのシステムの多くは、ブロック共重合体の自己組織化を介して合成され、これは、溶媒切り替えおよび薄膜水分補給3のより伝統的な方法を介して、またはそのようなより高度な方法を介して行われます。重合誘発自己組立および結晶化駆動自己アセンブリ(CDSA)4、5.各技術は独自の利点を持っていますが、CDSAだけが均一で制御可能な長さの分布を持つ剛性粒子を生成することができます。

ギルロイらによる先駆的な研究は、ヘキサン中の長いポリフェロセニルシラン-b-ポリジメチルシロキサン(PFS-PDMS)シリンダーを形成し、軽度の超音波処理を使用する場合、低い輪郭長分散性を持つ非常に短いシリンダー(L_n)を形成した。一般的な溶媒中にジブロック共重合体鎖の所定量を添加すると、1.03と低いLnを有する様々な長さの円筒を5,6^を合成した。マナーグループによるさらなる作業は、非常に複雑で階層的な構造を形成するために使用することができるPFSシステムで可能な高度な制御を強調しました:ブロックコミセル、スカーフ形とダンベルミセルは、いくつかの7を名前を付けます。^8.これらのデモンストレーションに続いて、研究者は、半結晶性商品ポリマー(ポリエチレン、ポリカプロラクトロン)、ポリラクチド)9、10を含むCDSAのための他の、より機能的なシステムを調査しました。 ^,11,12,13および伝導ポリマー(ポリ(3-ヘキシルチオフェン))、ポリセレンフェレン)^14,15.迅速かつ効率的に組み立てることができるジブロック共重合体システムのこのツールボックスを装備し、研究者は、^近年16年でより多くのアプリケーション駆動型の研究を行っています。 Jinらは、ポリチオフェインブロック共重合体中の数百ナノメートルのエキシトン拡散長を実証し、我々のグループは、円筒状の構造体^を含むポリ(ε-カプロラクトン)(PCL)からのゲルの形成を実証した10、 ¹⁷.

これは強力な手法ですが、CDSA には制限があります。ブロック共重合体は、半結晶成分と低分散値とハイエンドグループのフィデリティを有する必要があります。低次ブロック汚染物質は、粒子凝集を引き起こすか、または形態の変化を誘発する可能性^{があります 18,19}.これらの制限により、生体重合が使用されます。しかし、前述の特性を有するポリマーを実現するためには、重要な試薬精製、乾燥手順、水/酸素フリー環境が必要です。これを克服するシステムの設計が試みられています。例えば、PFSブロック共重合体は、クリック化学を用いてポリマー鎖^{を結合する20}を用いて形成されている。得られた円筒状ナノ粒子は例示的な特性を示しているが、ブロック共重合体は典型的には、準備サイズ排除クロマトグラフィーによって精製され、PFSの合成は依然として生きているアニオンの使用を必要とする重合。我々のグループは最近、PCLの生きているCDSAを実現し、その成功は生きている有機塩基触媒リング開合重合(ROP)および可逆的な付加断片化鎖伝達(RAFT)重合10の両方を使用して回った。この方法はより簡単ですが、生きている重合は依然として必要です。

この分野は、より応用主導型の研究に向かっており、生きている重合に関連する問題のために、ポリマー合成と自己組織化プロトコルの概要が将来の科学的研究に有利になると考えられています。したがって、この原稿では、PCL-b-PMMA-b-PDMA共重合体の完全な合成および自己組織化が概説されている。乾燥技術は、ε-カプロラクトロンの有機性ROPの文脈で強調表示され、MMAおよびDMAのその後のRAFT重合が概説される。最後に、エタノール中のこのポリマーの生きたCDSAプロトコルが提示され、不十分な実験技術による特性データの一般的な誤りが批判される。

プロトコル

1. トルエンの乾燥

注:乾燥した溶剤の塔へのアクセス権を持っている場合は、5つの凍結ポンプ融解サイクルによってトルエンとドガを収集します。

1. 250 mLシュレンクフラスコで250mLシュレンクフラスコで48時間真空下で乾燥3Å分子シーブを48時間、グローブボックスに移します。
2. オーブンで2つのアンプルを一晩150°Cで乾燥させ、グローブボックスに移します。
3. 活性化された分子ふるいを2つのアンプルに移し、グローブボックスから取り除きます。
4. 2ネックのラウンドボトムフラスコ(RBF)を乾燥させ、100 mLのトルエンを加えます。トルエンにCaH2の1.0gを加えてかき混ぜます。
   注意: この時点で H₂リリースに注意してください。常にフラスコに蓄積任意のH2を除去するために窒素の安定した流れの下でCaH₂を追加します。
5. トルエンをフィルターカニューレで分子ふるいを含むアンプルの1つに移し、一晩休息する。
6. トルエンをフィルターカニューレでふるいを含む最後のアンプルに移します。凍結ポンプ解凍(5サイクル)トルエンとグローブボックスに転送します。

2. CTAイニシエータ/DPPの乾燥

1. チェーン転写剤/イニシエータをバイアルに追加し、ティッシュペーパーで固定します。
2. _P2O₅の10gをデシケータに加えます。粉末の上にバイアルを置きます。
3. 一晩8時間と静的真空の動的真空の下にデシケータを置きます。
4. デシケータを開けて P₂O₅を攪拌します。真空サイクルを5日間再開します。
   注:P2O₅は、余分な溶媒/水が存在する場合に変色または不器用になることがあります。これが観察される場合は、P2 O₅を交換してください。
5. デシケータを窒素でバックフィルし、グローブボックスに移します。

3. εカプロラクテンの乾燥・精製

注:このセクションでは、すべてのガラス製品と攪拌機バーは、使用前に一晩150°Cのオーブンで乾燥している必要があります。これは、ガラスの表面からすべての水を除去します。

1. 攪拌機バーを装備した2ネック250 mL RBFに100mLのε-カプロラクトンを追加し、小さな首をタップします。
2. 窒素の安定した流れの下で、RBFに1.0gの水素化カルシウムを加えます。ガラスストッパーにフィットし、窒素雰囲気下で室温で一晩かき混ぜます。
3. 真空蒸留装置を乾燥させます。
4. シュレンクラインに2ネックフラスコを取り付け、窒素を3回排出してパージします。パージ後、窒素の安定した流れにラインを開きます。
5. ε-カプロラクトネRBFから真空蒸留装置を組み立て、水がシステムに入るのを防ぐために窒素の安定した流れを維持する。温度計とシールを所定の位置に取り付けます。
6. アダプターをシュレンク線に取り付けます。窒素の流れを取り除き、この新しい接続の下で真空の下にシステムを置きます。
7. ε-カプロラクトンを60-80°Cで加熱し、小さなRBFで最初の5.0 mLを収集し、残りは2ネックRBFで収集します。フラスコを液体窒素に入れ、カプロラクテンを効果的に凝縮させます。綿毛とホイルで蒸留装置をラップし、プロセスをスピードアップします。
8. シュレンクラインをコレクションフラスコに取り付け、ラインを3回パージします。ラインを窒素に変え、タップを開きます。フラスコに1.0gの水素化カルシウムを加え、ストッパーを加え、窒素雰囲気の下に一晩撹拌する。
9. 一方、イソプロパノールの滴下添加により過剰な水素化カルシウムを処分し、続いて5.0mLのメタノールを排出し、その後、一度泡立ちが止まると過剰な水を排出する。ガラス製品をアセトンですすいで、一晩オーブンに入れます。
10. 完成したらモノマーにCaH2を加えずに、真空蒸留をもう一度繰り返します。代わりに, カニューレを介してカプロラクゾンをアンプルに転送し、グローブボックスに転送.

4. εカプロラクトネのリング開口重合

1. イニシエータ、触媒、モノマーのストックソリューションを準備します。3つの別々のバイアルに0.10 gのジフェニルリン酸、CTA-OHの0.011 g、カプロラクトンの0.25gの重量を量る。イニシエータと触媒バイアルのそれぞれに0.5 mLのトルエンを加え、試薬が溶解するまで穏やかに撹拌します。
2. イニシエータとジフェニルリン酸ストック溶液を1つのバイアルに混ぜ、攪拌バーを追加します。
3. 適度な撹拌の下で、イニシエータ/触媒バイアルにモノマーを加えます。バイアルを蓋に入れ、室温で8時間かき混ぜます。
4. 8時間後、グローブボックスからバイアルを取り出し、直ちに冷たいジエチルエーテルの過剰に沈殿させます。
5. 白い固体を濾過し、乾燥し、テトラヒドロフラン(THF)の1 mLで溶解します。さらに2回沈殿し、十分に乾燥させます。

5. メチルメタクリレートおよびN-ジメチルクリラアミドのRAFT重合

1. ダイオキシンとMMAから安定剤を取り除くために、パストゥールピペットにいくつかの基本的なアルミナプラグを準備し、別々のバイアルに液体を濾過します。
2. 予め合成されたPCLの0.5gの重量を量り、0.424gのメチルメタクリレートを測定し、バイアルに2mLのダイオキシンを測定し、溶解することを可能にする。
3. 純粋なアゾビシソブチロニトリル(AIBN、1.0mLで10mg)のストック溶液とピペットを反応混合物に139μLで調合する。攪拌棒およびシールが装備されているアンプルに移す。
4. 溶液を3回凍結ポンプ解凍します。窒素でバックフィルし、アンプルを予熱したオイルバスに4時間65°Cに入れます。
   注:凍結ポンプ解凍サイクルが完了する前に、30°Cを超えるもので容器を加熱しないでください。
5. 変換を監視するには、オイルバスからアンプルを取り出します。窒素の流れの下でスバシールのキャップを切り替え、2滴を取り除き、二極化したクロロホルムと混合する。NMR計測器で陽子スペクトルを実行します。
6. アンプルを液体窒素に入れ、凍結するまでアンプルを開き、アンプルを空気に開けて重合をクエンチします。
7. 混合物を滴下して、冷たいジエチルエーテルの膨大な過剰に沈殿させる。ブフナー濾過によって分離し、乾燥する。
8. THFでポリマーを取り出し、さらに2回沈殿させる。ポリマーを完全に乾燥させ、1H NMR分光法およびゲル透過クロマトグラフィー(GPC)によって分析する。
9. この手順にもう一度従いますが、PCL-PMMAの0.5g、DMAの1.406 g、ダイオキシンの2.0 mL、10mg.mL-1 AIBNの111 μLをダイオキシンで使用します。重合を70°Cで1時間加熱し、反応混合物を冷たいジエチルエーテルに3回沈殿させます。

6. 自己核化、種子生成、生きた結晶化主導の自己組織化

1. バイアルに5.0mgのトリブロック共重合体を入れ、1.0 mLのエタノールを加えます。蓋とパラフィルムでバイアルを密封し、70°Cで3時間加熱します。
2. バイアルを室温までゆっくりと冷ましておきます。溶液を室温で2週間老化させる。溶液は曇りになり、完全に組み立てられると下部に別個の層を形成します。
3. 5.0 mg.mL^-1分散を 1.0 mg.mL^-1に希釈します。
4. 超音波処理防止チューブに分散を配置し、氷浴に置きます。
5. 超音波プローブの先端を分散液の中央領域に挿入します。
6. 最も低い強度で2分の15サイクルの溶液を超音波処理し、次のサイクルの前に15分間冷却することができます。
7. 1.0^mg.mL-1種子分散のアリコートを取り、0.18^mg.mL-1に希釈します。
8. 25 mg.mL^-1で THF のユニマーのソリューションを準備します。種子分散に32.8 μLを加え、ゆっくりと振って完全に溶解します。
9. THFが蒸発できるように、蓋をわずかにアジャーで3日間熟したままにしておきます。これは、開始種子の長さが90 nmの場合、長さ500 nmのシリンダーを生成します。

結果

PCL^を1HNMR分光法およびゲル透過クロマトグラフィー(GPC)により分析した。^1HNMRスペクトルは、3.36ppmおよび4.08 ppmの共振の比較により、50の重合(DP)の程度を得たが、これは、末端群エチルプロトンおよびインチェーンエステルα-プロトンにそれぞれ対応する(図1b)。これにより、GPCによって得られた分子量値の検証を行い、単一ピー?...

ディスカッション

三重合体共重合体PCL50-PMMA10-PDMA₂₀₀の合成および生きているCDSAが概説されている。厳しい条件が必要ですが、ε-カプロラクトンのリング開口部重合は、MMAおよびDMAの鎖延長の成功を可能にした優れた特性を有するポリマーを与えた。これらのポリマーは自己播種に成功し、L_N 98 nmの種子粒子に超音波処理された円筒状ミセルの純粋な相を得た。ユニマーの...

資料

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