Synthese en karakterisatie van een nieuwe thermoresponsieve OEGDA-MAA nanogel-polymer

Samenvatting

Stimuli-responsieve polymeren zijn steeds waardevoller in biomedische en geavanceerde materiaaltoepassingen. Hier rapporteren we een gekruist polymer, poly(oligo(ethyleenglycol) diacrylaat-methacrylzuur) (P(OEGDA-MAA)), bereid door neerslagpolymerisatie. Het materiaal vertoont een lagere-kritische oplossingstemperatuur (LCST)-type volumefasetransitietemperatuur (VPTT) van 33 °C in waterige media en een hogere-kritische oplossingstemperatuur (UCST)-type VPTT van 43 °C in ethanol, beide bij een concentratie van 1 mg mL⁻¹. De transities zijn hoog afstelbaar door concentratie en pH aan te passen, wat een veelzijdig platform biedt voor biomedische en andere responsieve systemen.

Achtergrond

Polymeren die reageren op externe triggers zoals temperatuur, pH of ionische sterkte zijn cruciaal in actuatoren, geneesmiddelafgifte en weefseltechniek. Onder hen hebben thermoresponsieve polymeren met een goed-gedefinieerde VPTT - gemeenschappelijk LCST-polymeren genoemd - intense onderzoeksbelangstelling getrokken. Het prototypische voorbeeld, poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM), toont een VPTT nabij 32 °C, wat het een referentie maakt voor biomedische toepassingen. Echter, PNIPAM lijdt onder hysteres, sterke proteïne-adsorptie en hydrolyseproducten die het klinische gebruik beperken.

Polyethyleenglycol (PEG)-gebaseerde polymeren bieden een niet-toxisch, niet-immunogen alternatief. Toch is PEG zelf alleen thermoresponsief onder hoge temperatuur of druk, wat het ontwerp van OEG-macromeren met functionele groepen aan één of beide uiteinden aanmoedigt. Deze macromeren worden gepolymeriseerd via anionische, cationische, ATRP, RAFT of NMP routes, wat fijn controle over molecuulgewicht, architectuur en comonomeverhouding mogelijk maakt. Het aanpassen van deze parameters stemt de LCST/UCST van OEG-polymeren af, zoals gedocumenteerd in recente reviews.

Meeste OEG-gebaseerde responsieve polymeren zijn kam-achtig, met een methacrylaat-backbone en pendant OEG-ketens. In tegenstelling is het hier gerapporteerde polymer, P(OEGDA-MAA), een gekruist netwerk gevormd door copolymereisatie van OEG-diacrylaat (OEGDA) met methacrylzuur (MAA) via neerslagpolymerisatie in water. Deze architectuur levert een duidelijke LCST in water en UCST in ethanol, wat een nieuwe klasse stimuliresponsieve materialen met potentiële biomedische relevantie biedt.

Methoden

Materialen

OEGDA (Mn = 575) werd bezorgd door Aladdin (Shanghai, China). MAA, gezuiverd door basische Al₂O₃-behandeling, werd geleverd door Tianjin Guangcheng Chemicals. Ammoniumpersulfaat (APS) werd gekocht van Tianjin Hedong Hongyan Chemicals. Dialysemembranen (MWCO 3500) waren van Union Carbide Corporation.

Bereiding van P(OEGDA-MAA)

In een 1 L fles, 0,8166 g OEGDA (1,43 mmol) en 0,1834 g MAA (2,11 mmol) werden opgelost in 500 mL gedemineraliseerd water. Na stikstof-purging, werd 10 gew% APS (300 µL) toegevoegd. De reactie werd verzegeld en verwarmd tot 70 °C gedurende 4 uur. Troebelheid duidde op polymere neerslag. Na afkoeling, werd de troebele emulsie helder. Een 2 M NaCl-oplossing (pH 1,0) werd toegevoegd om neerslag te induceren, gevolgd door centrifugatie (10.000 rpm), herdispersie in water en dialyse gedurende 72 uur om zout te verwijderen.

Karakterisatie

¹H NMR (400 MHz, Bruker) in DMSO-d₆ bevestigde samenstelling. OEGDA-inhoud werd ook gekwantificeerd door potentiometrische titratie. VPTT in waterige (pH 1,0, 150 mM NaCl) en ethanol-dispersies werd bepaald door 565 nm transmissie te monitoren tijdens afkoelen van 70 °C tot 10 °C. Dynamische lichtverstrooiing (DLS, Malvern Nano-ZS) meet deeltjesgrootte en -verdeling.

Resultaten en Discussie

Samenstellinganalyse

¹H NMR-integratie van de carboxyl (12,35 ppm) en ester (4,11 ppm) pieken leverde een OEGDA-inhoud van 40,9 mol%, wat overeenkomt met de voederverhouding en complete copolymereisatie bevestigt (Verg. 1). Potentiometrische titratie gaf 38,8 mol% OEGDA, wat het NMR-resultaat corroboreert.

$$\text{[OEGDA]}(\%) = \frac{S_b/4}{S_a + S_b/4}$$

Morfologie

SEM-beelden (Fig. 2) onthulden ~40 nm nanogel-deeltjes in de droge toestand uit waterige dispersies. De lage-VPTT-dispersie (< 33 °C) leek transparant, wat een volledig gezwollen toestand bevestigt. DLS meet een hydrodynamische straal van ~12 nm bij 70 °C, wat hoog gezwollen, geïsoleerde deeltjes aangeeft die waarschijnlijk agglomereren tijdens drogen.

In ethanol vormde hetzelfde polymer grotere aggregaten (Fig. 2b-c) door interpenetratie van hydrofiele ketens boven de UCST-type VPTT. Bij hogere ethanol-concentraties ontstonden continue hydrogelfilms.

LCST-type VPTT in Water

Bij 1 mg mL⁻¹ was de VPTT 33 °C bij pH 1,0, verschuivend naar 42 °C bij pH 3 en volledig verdwenen bij pH 5. De pH-afhankelijkheid ontstaat door protonering van carboxylgroepen onder pKa 4,8, wat waterstofbinding met ether-zuurstoffen mogelijk maakt. Bij hoge pH induceert ionisatie elektrostatische afstoting, wat een gezwollen toestand over het temperatuurbereik handhaaft.

DLS (Fig. 4) toonde een geleidelijke grootte-toename van 15 nm (10 °C) tot 20 nm (25 °C), gevolgd door een abrupte sprong tot ~600 nm boven de VPTT, wat dehydratatie-geïnduceerde aggregatie aangeeft.

UCST-type VPTT in Ethanol

In ethanol bleef het polymer transparant bij 70 °C, maar transmissie daalde naarmate de temperatuur daalde. Bij 1 mg mL⁻¹ was de VPTT 43 °C, met een twee-staps-transitie: initiële ketting-dehydratatie (grootte-toename tot ~7 nm) en daaropvolgende aggregatie (grootte bereikend 150 nm bij 40 °C, 270 nm bij 25 °C). Het mechanisme spiegelt LCST-gedrag maar in omgekeerde temperatuursrichting (Fig. 6).

Fase-Transitie Mechanisme

Zowel LCST als UCST-transities omvatten een twee-staps-proces: (1) verlies van oplosmiddelaffiniteit leidend tot ketting-kollaps, en (2) aggregatie van gekollapste nanogels. Het gekruiste OEGDA-MAA-netwerk vertoont uitgesproken concentratie-afhankelijkheid - VPTT daalt van 33 °C (1 mg mL⁻¹) tot 27 °C (5 mg mL⁻¹) - door verhoogde kans op interdeeltjescontact.

Conclusies

We hebben een gekruist OEG-MAA-polymer gesynthetiseerd dat zowel LCST-type VPTT in water (33 °C bij 1 mg mL⁻¹, pH 1,0) als UCST-type VPTT in ethanol (43 °C) vertoont. De transities zijn afstelbaar via concentratie en pH, en de deeltjesgrootte evolueert voorspelbaar over de transities. Deze kenmerken positioneren P(OEGDA-MAA) als een veelbelovende kandidaat voor temperatuurs-responsieve biomedische toepassingen.

Afkortingen

APS:

Ammoniumpersulfaat

ATRP:

Atoom-overdracht radicaal polymerisatie

DLS:

Dynamische lichtverstrooiing

EG:

Ethyleenglycol

LCST:

Lagere-kritische oplossingstemperatuur

MAA:

Methacrylzuur

OEG:

Oligo(ethyleenglycol)

OEGDA:

Oligo(ethyleenglycol) diacrylaat

P(OEGDA-MAA):

Poly(oligo(ethyleenglycol) diacrylaat-methacrylzuur)

PEG:

Poly(ethyleenglycol)

PNIPAM:

P(N-isopropylacrylamide)

POEGMA:

Poly[(oligo(ethyleenglycol) methylether methacrylaat]

RAFT:

Reversibele toevoeging-fragmentatie keten-overdracht polymerisatie

R_h:

Hydrodynamische deeltjesstraal

UCST:

Hogere-kritische oplossingstemperatuur

VPTT:

Volumefasetransitietemperatuur