Síntese de nanopartículas cilíndricas Monodispersa via auto-montagem orientada por cristalização de copolímeros de blocos biodegradáveis

Resumo

A automontagem acionada por cristalização (CDSA) exibe a capacidade única de fabricar nanoestruturas cilíndricas de distribuições de comprimento estreito. A polimerização organocatalyzed da anel-abertura do ε-caprolactone e das extensões Chain subseqüentes do metacrilato de metilo e do n,acrilamida de n-dimethyl é demonstrada. Um protocolo de CDSA vivo que produza cilindros do monodispersas até 500 nanômetro do comprimento é esboçado.

Resumo

A produção de micelas cilíndricas monodispersa é um desafio significativo na química do polímero. A maioria de construções cilíndricas formadas dos copolímeros do diblock são produzidas por uma de três técnicas: reidratação fina da película, switching solvente ou self-assembly polimerização-induzido, e produzem somente cilindros flexíveis, do altamente. A automontagem acionada por cristalização (CDSA) é um método que pode produzir cilindros com essas propriedades, estabilizando estruturas de uma curvatura inferior devido à formação de um núcleo cristalino. Entretanto, as técnicas vivas da polimerização por que a maioria de núcleo-formando blocos são formados não são processos triviais e o processo de CDSA pode render resultados insatisfatórios se realizado incorretamente. Aqui, a síntese de nanopartículas cilíndricas de reagentes simples é mostrada. A secagem e a purificação dos reagentes antes de uma polimerização da anel-abertura do ε-caprolactone catalisada pelo fosfato do difenil são descritas. Este polímero é então cadeia estendida por metacrilato de metilo (MMA) seguido de n, n-dimetil acrilamida (DMA) usando a polimerização de transferência de cadeia de adição-fragmentação reversível (Raft), proporcionando um copolímero Triblock que pode sofrer CDSA em Etanol. O processo de CDSA vivo é delineado, os resultados dos quais produzem nanopartículas cilíndricas de até 500 nm de comprimento e uma dispersão de comprimento tão baixa quanto 1, 5. Prevê-se que estes protocolos permitirão que outros produzam nanoestruturas cilíndricas e elevem o campo da CDSA no futuro.

Introdução

Nanoestruturas unidimensionais (1D), como cilindros, fibras e tubos, têm aumentado a atenção em uma variedade de campos. Entre estes, sua popularidade na ciência do polímero é devida a sua variedade rica de propriedades. Por exemplo, Geng et al. demonstraram que as filomicelles exibem um aumento de dez vezes no tempo de permanência na corrente sanguínea de um modelo de roedores em comparação com seus homólogos esféricos, e Won et al. revelaram que a fibra de polibutadieno-b-poli (óxido de etileno) as dispersões exibem um aumento no módulo de armazenamento por duas ordens de magnitude após a reticulação do núcleo durante as medições reológicas^1,2. Curiosamente, muitos desses sistemas são sintetizados através da automontagem de copolímeros de blocos, seja através de métodos mais tradicionais de comutação de solventes e reidratação de filme fino³, ou métodos mais avançados, como automontagem induzida por polimerização e automontagem acionada por cristalização (CDSA)^4,5. Cada técnica prende suas próprias vantagens, entretanto, somente CDSA pode produzir as partículas rígidas com uma distribuição uniforme e controlável do comprimento.

O trabalho pioneiro de Gilroy et al. formou cilindros longos de poliferrocenilsilane-b-polidimetilsiloxano (PFS-PDMS) em hexanos e, ao usar sonicação leve, cilindros muito curtos com dispersão de comprimento de contorno baixo (L_n). Após a adição de uma massa predeterminada de cadeias de copolímero diblock em um solvente comum, cilindros de comprimentos variados com um L_n tão baixo quanto 1, 3 foram sintetizados^5,6. Os trabalhos mais adicionais pelo grupo das maneiras destacaram o alto nível do controle possível com o sistema de PFS, que pode ser usado para dar forma a estruturas notavelmente complexas e hierárquais: bloco-co-micelas, lenço dado forma e micelas do dumbbell para nomear alguns^{7, 8}. na sequência destas manifestações, os investigadores investigaram outros sistemas mais funcionais para a CDSA, incluindo: polímeros de commodities semicristalinos (polietileno, poli (ε-Caprolactona), Polylactide)^{9,10 ,11,12,13} e polímeros condutores (poli (3-hexylthiophene), polyselenophene)^14,15. Armado com esta caixa de ferramentas de sistemas de copolímero diblock que podem ser montados de forma rápida e eficiente, os pesquisadores realizaram mais pesquisas orientadas por aplicações nos últimos anos¹⁶.  Jin et al. demonstraram comprimentos de difusão de exciton nas centenas de nanometros em copolímeros de blocos de politiofeno e nosso grupo demonstrou a formação de géis de poli (ε-Caprolactona) (PCL) contendo construções cilíndricas^10, a ¹⁷.

Embora seja uma técnica poderosa, a CDSA tem suas limitações. Os copolímeros do bloco devem ter um componente semicristalino, bem como baixos valores de dispersão e fidelidades de grupo de alta final; os contaminantes do bloco de ordem inferior podem causar agregação de partículas ou induzir alterações morfológicas^18,19. Devido a estas limitações, as polimerizações vivas são usadas. No entanto, a purificação de reagentes significativos, procedimentos de secagem e ambientes livres de água/oxigênio são necessários para alcançar polímeros com as propriedades acima mencionadas. Foram feitas tentativas para projetar sistemas que superem isso. Por exemplo, os copolímeros do bloco de PFS foram dados forma usando a química do clique às correntes do polímero do par junto²⁰. Embora as nanopartículas cilíndricas resultantes tenham demonstrado Propriedades exemplares, os copolímeros do bloco são tipicamente purificados por cromatografia de exclusão de tamanho preparativo e a síntese de PFS ainda requer o uso de aniônico vivo polimerizações. Nosso grupo realizou recentemente o CDSA vivo de PCL, o sucesso de que giram em torno de usar ambas as polimerizações de abertura organobase-catalisadas da anel-inauguração (ROP) e as polimerizações reversíveis da transferência chain da adição-fragmentação (JANGADA)¹⁰. Embora este método seja mais simples, as polimerizações vivas ainda são necessárias.

Como o campo está se movendo em direção a uma pesquisa mais orientada para a aplicação, e devido aos problemas associados com as polimerizações vivas, acredita-se que um esboço da síntese de polímeros e protocolos de automontagem será vantajoso para o futuro trabalho científico. Assim, neste manuscrito, delineou-se a síntese completa e a automontagem de um copolímero PCL-b-PMMA-b-PDMA. As técnicas de secagem serão destacadas no contexto de um ROP organocatalyzed de ε-caprolactone e as polimerizações subseqüentes do RAFT do MMA e do DMA serão esboçadas. Finalmente, um protocolo de CDSA vivo para este polímero em etanol será apresentado e erros comuns em dados de caracterização devido à má técnica experimental serão criticados.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocolo

1. secagem de tolueno

Nota: se você tem o acesso às Torres solventes secas, colete o tolueno e as Degas por cinco ciclos Freeze-Pump-Thaw.

1. Seco 3 Å peneiras moleculares em um 250 mL schlenk balão a 250-300 ° c vácuo para 48 h e transferência em uma Glovebox.
2. Seque duas ampolas no forno a 150 ° c durante a noite e transfira-as para a caixa de Glovebox.
3. Transfira as peneiras moleculares ativadas para as duas ampolas e retire do Glovebox.
4. Seque um balão de fundo redondo de dois-pescoço (RBF) e adicione 100 mL de tolueno, cujo volume é igual a, no máximo, metade do volume da ampola. Adicionar 1,0 g de CaH₂ ao tolueno e mexa.
   Cuidado: tenha cuidado com a liberação de H₂ neste momento. Sempre adicione CaH₂ um fluxo constante de nitrogênio para remover qualquer H₂ acumular no balão.
5. Transfira o tolueno para uma das ampolas contendo as peneiras moleculares com uma cânula de filtro e descanse durante a noite.
6. Transfira o tolueno para a última ampola contendo peneiras com uma cânula de filtro. Freeze-Pump-Thaw (5 ciclos) o tolueno e transferência em um Glovebox.

2. secagem do CTA-iniciador/DPP

1. Adicione o agente/iniciador de transferência de cadeia a um frasco para injetáveis, protegendo com papel tissue.
2. Adicionar 10 g de P₂O₅ num dessecador. Coloque o frasco para injetáveis acima do pó.
3. Coloc o exsicador o vácuo dinâmico para 8 h e o vácuo estático durante a noite.
4. Abra o dessecador para agitar o P₂o₅. Retomar os ciclos de vácuo durante 5 dias.
   Nota: o P₂o₅ pode descolorir ou tornar-se desajeentado se o excesso de solvente/água estiver presente. Substitua o P₂o₅ se isso for observado.
5. Backfill o dessecador com nitrogênio e transferência para um Glovebox.

3. secagem/purificação de ε-Caprolactona

Nota: para esta secção, todas as barras de vidro e agitador devem ter sido secas num forno de 150 ° c durante a noite antes da utilização. Isto removerá toda a água das superfícies do vidro.

1. Adicionar 100 mL de ε-Caprolactona a um dois-pescoço 250 mL RBF equipado com uma barra de agitador e bata no pescoço pequeno.
2. Adicionar 1,0 g de hidreto de cálcio no RBF, um fluxo constante de nitrogênio. Ajuste com uma rolha de vidro e mexa durante a noite em temperatura ambiente uma atmosfera de nitrogênio.
3. Seque o equipamento de destilação a vácuo.
4. Prenda o balão de dois-garganta a uma linha de schlenk e purgue evacuando e enchendo-o com o nitrogênio três vezes. Após a purga, abra a linha a um fluxo constante de nitrogênio.
5. Monte o equipamento da destilação do vácuo do ε-caprolactone RBF, mantendo um fluxo constante do nitrogênio para impedir que a água entre no sistema. Fixe o termómetro e a vedação no lugar.
6. Fixe o adaptador na linha schlenk. Retire o fluxo de nitrogênio e coloque o sistema vácuo esta nova conexão.
7. Aqueça a ε-Caprolactona a 60-80 ° c, coletando o primeiro 5,0 mL nas pequenas RBFs e o resto no RBF de dois pescoços. Coloc os frascos no nitrogênio líquido para condensar o Caprolactona eficazmente. Enrole o equipamento de destilação em lã de algodão e folha para acelerar o processo.
8. Fixe a linha schlenk ao balão de recolha e limpe a linha três vezes. Gire a linha para nitrogênio e abra a torneira. Adicionar 1,0 g de hidreto de cálcio ao balão, e uma rolha, em seguida, deixar uma atmosfera de nitrogênio agitação durante a noite.
9. Enquanto isso, elimine o excesso de hidreto de cálcio pela adição gota gota de isopropanol, seguido por 5,0 ml de metanol e, em seguida, um excesso de água, uma vez borbulhando cessa. Enxágüe os copos com acetona e coloque no forno durante a noite.
10. Repita a destilação de vácuo novamente, sem adicionar o CaH₂ ao monómero uma vez terminado. Em vez disso, transfira a Caprolactona via cânula em uma ampola e transfira para a caixa de Glovebox.

4. polimerização da abertura do anel de ε-Caprolactona

1. Prepare soluções de estoque de iniciador, catalisador e monómero. Pesar 0,10 g de fosfato de difenilo, 0, 11 g de CTA-OH e 0,25 g de Caprolactona em três frascos separados. Adicione 0,5 mL de tolueno a cada um dos frascos iniciador e catalisador e agite suavemente até que os reagentes sejam dissolvidos.
2. Misture as soluções de iniciador e de difenilo fosfato em um frasco e adicione uma barra de agitação.
3. Em agitação moderada, adicione o monómero no frasco para injetáveis de iniciador/catalisador. Coloque o frasco com uma tampa e mexa durante 8 h à temperatura ambiente.
4. Depois de 8 h, retire o frasco da Glovebox e precipeie-se imediatamente para um excesso de gota a frio de éter dietílico.
5. Filtre o sólido branco, seque e dissolva em 1 mL de tetraidrofurano (THF). Precipitate duas vezes mais e seque completamente.

5. polimerização JANGADA de metacrilato de metilo e n, n-dimetilacrilamida

1. Para remover os estabilizadores do dioxano e MMA, prepare vários plugues básicos de alumina em pipetas Pasteur e filtre os líquidos em frascos separados.
2. Pesar 0,5 g de PCL sintetizado anteriormente, 0,424 g de metacrilato de metilo e medir 2 mL de dioxano num frasco para injetáveis e permitir a dissolução.
3. Prepare uma solução de estoque de azobisisobutyronitrila puro (AIBN, 10 mgs em 1,0 mL) e pipeta em 139 μL na mistura de reação. Transferência para uma ampola equipada com uma barra de agitação e selo.
4. Freeze-Pump-descongelar a solução três vezes. Aterro com nitrogênio e coloque a ampola em um banho de óleo pré-aquecido a 65 ° c por 4 h.
   Nota: Não aqueça o recipiente com nada mais do que 30 ° c antes que os ciclos Freeze-Pump-Thaw estejam completos, porque este pode fazer com que o iniciador decompor.
5. Para monitorizar a conversão, retire a ampola do banho de óleo. Mude a tampa para um selo de suba um fluxo de nitrogênio, retire duas gotas e misture com clorofórmio deuterado. Execute um espectro de prótons em um instrumento de RMN.
6. Colocar a ampola em azoto líquido até congelar e abrir a ampola ao ar para extinguir a polimerização.
7. Precipitate a mistura gota gota em um vasto excesso de éter dietílico frio. Isolar por Buchner filtração e seco.
8. Tome o polímero em THF e precipitar mais duas vezes. Seque o polímero exaustivamente e analise por espectroscopia de ¹H NMR e cromatografia de permeação de gel (GPC).
9. Siga este procedimento novamente, mas com 0,5 g de PCL-PMMA, 1,406 g de DMA, 2,0 mL de dioxano e 111 μL de 10 mg.mL^-1 AIBN em dioxano. Aqueça a polimerização a 70 ° c por 1 h e precipite a mistura de reacção em éter dietílico frio três vezes.

6. auto-nucleação, geração de sementes e vivendo cristalização-driven auto-montagem

1. Coloque 5,0 mg de copolímero Triblock num frasco para injetáveis e adicione 1,0 mL de etanol. Selar o frasco com uma tampa e parafilm e aquecer a 70 ° c durante 3 h.
2. Deixe o frasco para arrefecer lentamente até à temperatura ambiente. Deixe a solução para envelhecer à temperatura ambiente durante duas semanas. A solução vai virar nublado e vai formar uma camada distinta na parte inferior quando totalmente montado.
3. Diluir a 5,0 mg.mL^-1 dispersão para 1,0 mg.ml^-1.
4. Coloc a dispersão em um tubo da prova do sonication e coloc em um banho de gelo.
5. Insira a ponta da sonda de sonicação na área intermediária da dispersão.
6. SONICATE a solução para quinze ciclos de 2 min na menor intensidade, permitindo esfriar por 15 min antes do próximo ciclo.
7. Tome uma alíquota do 1,0 mg.mL^-1 dispersão de sementes e diluir para 0,18 mg.ml^-1.
8. Prepare uma solução de unimer em THF em 25 mg.mL^-1. Adicione 32,8 μL na dispersão da semente e agite suavemente para permitir a dissolução completa.
9. Deixe a dispersão para a idade por três dias com a tampa ligeiramente entreaberta para que o THF pode evafar. Isso produzirá cilindros de 500 nm de comprimento se as sementes iniciais foram 90 nm de comprimento.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Resultados

A LCP foi analisada por espectroscopia de ¹H de RMN e cromatografia de permeação de gel (GPC). O espectro de RMN de ¹H rendeu um grau de polimerização (DP) de 50, por comparação de ressonâncias em 3,36 ppm e 4, 8 ppm, que correspondem aos prótons de etilo do grupo final e α-prótons de éster em cadeia, respectivamente (Figura 1b). Isso proporcionou a validação dos valores de peso molecular obtidos pelo GPC, onde um único pic...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussão

A síntese e o CDSA vivo do copolímero do Triblock PCL₅₀-PMMA₁₀-PDMA₂₀₀ foram esboçados. Embora sejam necessárias condições rigorosas, a polimerização de abertura de anel de ε-Caprolactona deu polímeros com excelentes propriedades que permitiram a cadeia de sucesso das extensões de MMA e DMA. Estes polímeros foram bem sucedidos em sua auto-semeadura, obtendo uma fase pura de micelas cilíndricas, que foram sonicated em partículas de semente de L_N 98 nm. Atr...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materiais

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