Multi-stimuli-responsieve poly(N-vinylamide) copolymere: gecontroleerde aggregatie in aqueous media via thermische en fotonische triggers

Samenvatting

Een dubbel-responsief copolymeer gebaseerd op een N-vinylamide ruggengraat werd ontworpen om thermische en foto-responsiviteit te combineren. Een methoxyethyl-substituent werd geïntroduceerd om de hydrofiliciteit te verbeteren, terwijl azobenzeen-eenheden werden gegrateerd om lichtgevoeligheid te geven. Het resulterende polymeer, N-(methoxyethyl)-N-vinylformamide, gecopolymeriseerd met N-vinylformamide via vrije-radicaal polymerisatie. Vervolgens werd azobenzeen aangehecht aan de N-positie aangrenzend aan de hoofdketen, wat poly(N-vinylformamide) derivaten opleverde die gecontroleerde nanoschaal aggregatie vertoonden gedreven door hydrofobe interacties aan de N-positie.

Achtergrond

In polymerwetenschap is het integreren van multi-stimuli responsiviteit—zoals thermo-redox, thermo-zout, of thermo-pH—essentieel voor geavanceerde toepassingen [1–3]. Laagste kritische oplossingstemperatuur (LCST) gedrag is uitgebreid bestudeerd, en het combineren ervan met foto-responsieve groepen, met name azobenzeen-derivaten, levert polymeren op die in staat zijn tot precieze omgevingscontrole [17–22]. Gecontroleerde aggregatie van dergelijke polymeren in aqueous oplossingen is een voorwaarde voor toepassingen variërend van gerichte geneesmiddelafgifte tot supramoleculaire herkenning [23–29].

Poly(N-vinylamide) derivaten, eerst gesynthetiseerd via een nieuwe route voor poly(N-vinylacetamide) (PNVA) [30], hebben zich als veelzijdig bewezen: PNVA is amfifiel [32], PNVIBA is thermogevoelig [33], en PNVF fungeert als polycation voorloper [34]. Belangrijk is dat PNVF onder alkalische condities kan worden gehydrolyseerd om kationische poly(N-vinylamine) te genereren zonder giftige amines vrij te maken [34], en het blijft stabiel onder UV-bestraling [35]. Ondanks deze voordelen, loopt onderzoek op poly(N-vinylamide) derivaten achter op dat van poly(acrylamide) analogen [36–38] door de lage reactiviteit van niet-geconjugeerde vinylmonomeren. Deze studie vult deze kloof door een methoxyethyl-gesubstitueerd monomeer te synthetiseren om de hydrofiliciteit te verbeteren en vervolgens foto-responsieve azobenzeen-eenheden te incorporeren om dubbele responsiviteit te bereiken.

Methoden

Materialen

N-vinylformamide (NVF) werd verkregen van Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. (Japan) en gedistilleerd vóór gebruik. Natriumhydride (NaH) 60% in olie, 1,2-dibroomethaan, 4-(fenylazo)fenol, en anhydraat tetrahydrofuraan (THF) werden bezorgd door Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. (Japan). Anhydraat N,N-dimetylformamide (DMF), aceton, tolueen, ethylacetaat, magnesiumsulfaat, azobisisobutyronitrile (AIBN), en hexaan werden aangeschaft bij NACALAI TESQUE, INC. (Japan) en Wako Pure Chemical Industries Ltd. (Japan). Diethylether werd verkregen van AZBIO CORP. (Japan).

Polymerisatie

Het copolymeer poly(N-vinylformamide-co-NOENVF) (1) werd bereid door vrije-radicaal copolymerisatie: MOENVF (1,03 g, 8 mmol), NVF (0,14 g, 2 mmol), tolueen (5 mL), en AIBN (0,044 g, 0,25 mmol) werden gemengd in een 50 mL glasfles, gespuugd met stikstof gedurende 2 min, en vervolgens verwarmd tot 60 °C gedurende 24 uur. Het mengsel werd afgekoeld, gepresipiteerd in 500 mL diethylether, tweemaal gewassen, en vacuümgedroogd bij 30 °C gedurende 12 uur, wat 0,69 g (59% opbrengst) opleverde.

Om azobenzeen-eenheden te introduceren, werden 0,20 g van polymeer 1 en 0,4 mmol NaH (0,011 g) opgelost in DMF (1 mL) bij 100 °C onder stikstof. Na 15 min werd 1-broomethaan azobenzeen (0,4 mmol, 0,12 g) toegevoegd, gevolgd door 12 uur roeren. Water (1 mL) en additioneel DMF (2 mL) werden vervolgens toegevoegd, en het mengsel werd gepresipiteerd in 500 mL aceton. Het product, poly(N-vinylformamide-co-MOENVF-co-NVFazo) (2), werd herwonnen door centrifugatie en gedroogd bij 30 °C gedurende 12 uur, wat 0,29 g (43% opbrengst) gaf.

Metingen

Grootte-uitsluitingschromatografie (SEC) werd uitgevoerd op een Chem NAV systeem (JASCO) met polystyreen standaarden bij 40 °C met DMF als eluent. Proton nucleaire magnetische resonantie (¹H NMR) spectra werden opgenomen op een JEOL JNM‑ECX 400 (400 MHz). Lichttransmissie versus temperatuur werd gemonitord op een Shimadzu UV‑2600. UV-bestraaling (330 nm, 300 W Xenonlamp) werd toegepast gedurende 10 min. Dynamische lichtverstrooiing (DLS) werd uitgevoerd met een Malvern ZEN3600 Zetasizer Nano ZS (633 nm laser).

Resultaten en discussie

Polymeer 1 werd met succes gesynthetiseerd in 59% opbrengst. De samenstelling matched de voederverhouding (NVF:MOENVF = 20:80) zoals bevestigd door ¹H NMR integratie. Polymeer 2 werd verkregen in 43% opbrengst; NMR wees uit dat ~72% van NVF-eenheden geconverteerd waren naar azobenzeen-dragende NVFazo, met een gemiddelde van vier azobenzeen-groepen per keten (M_n ≈ 4000).

SEC-traceringen (Fig. 2) onthulden een enkele brede piek voor 1, terwijl 2 een verbreed profiel met een hoog-moleculair-gewichtsschouder vertoonde, wat de heterogeniteit weerspiegelt geïntroduceerd door azobenzeen-grafting. UV-detectie bij 500 nm (Fig. 2d) bevestigde dat de hoog-MW schouder voortkwam uit azobenzeen-rijke fracties, consistent met π–π interacties die aggregatie bevorderen.

Temperatuurafhankelijke lichttransmissie (Fig. 3) toonde aan dat 1 transparant bleef over 20–90 °C, wat zijn hydrofiele aard aangeeft. In tegenstelling vertoonde 2 een ~10% afname in transmissie, wat temperatuur-gedreven aggregatie bewijst gedreven door hydrofobe en π–π interacties.

DLS-metingen (Fig. 4, Tabel 2) onthulden dat 2 210 nm nanopartikels vormde bij 20 °C en 250 nm bij 60 °C. UV-bestraald 2 (2’) vormde 330 nm aggregaten bij 60 °C maar bleef onder detectielimieten bij 20 °C. De grotere grootte van 2’ wordt toegeschreven aan trans-azobenzeen-conformaties die π–π stapeling verbeteren, terwijl cis-isomeren bij lagere temperaturen aggregatie reduceren.

Conclusies

We hebben een eenvoudige route gedemonstreerd om dubbel-responsieve poly(N-vinylamide) copolymere te synthetiseren die op een gecontroleerde manier aggregeren via thermische en fotonische stimuli. Polymeer 2 vormt duidelijke nanopartikel-assemblages (210–330 nm) afhankelijk van temperatuur en UV-blootstelling, wat de cruciale rollen van hydrofobe en π–π interacties alsook azobenzeen-isomerisme benadrukt. Dit platform biedt een veelbelovende basis voor slimme afgiftesystemen waar aggregatiegrootte op verzoek afgestemd kan worden.

Afkortingen

AIBN:

Azobisisobutyronitrile

LCST:

Laagste kritische oplossingstemperatuur

MOENVF:

N-Methoxyethyl-N-vinylformamide

NVFazo:

4-(2‑N-Vinylformamide)ethoxyazobenzeen

PNVA:

Poly(N-vinylacetamide)

PNVF:

Poly(N-vinylformamide)

PNVIBA:

Poly(N-vinylisobutylamide)