Получение термореактивных полимерных наногелей олиго (этиленгликоль) диакрилат-метакриловой кислоты и характеристика их свойств

Фон

Стимулирующие полимеры способны реагировать на внешние раздражители со значительным изменением своих физико-химических свойств [1,2,3]. Большое разнообразие их приложений, включая исполнительные механизмы, доставку лекарств, перенос генов и разделение материалов, было разработано [4, 5, 6, 7] благодаря такой способности реагировать. Среди общих внешних стимулов, таких как температура, pH, ионная сила, электрическое поле и ультразвук, полимеры, реагирующие на изменение температуры, а именно термочувствительные полимеры, привлекают большое внимание на протяжении десятилетий [1,2,3,4,5,6, 7,8,9], из которых наиболее широко изучены полимеры с объемной температурой фазового перехода (VPTT) или более низкой критической температурой раствора (LCST) для несшитых растворимых полимеров. Это особенно верно для P ( N -изопропилакриламид), ПНИПАМ, термочувствительный полимер, широко изученный на предмет его потенциальных биомедицинских применений [2, 9,10,11,12] из-за его ВПТВ в воде около 32 ° C, что близко к температуре человеческого тела.

Хорошо известно, что материалы на основе PNIPAM обладают заметным гистерезисом, имеют сильные водородные связи с белками и производят низкомолекулярные амины во время гидролиза. Все эти свойства ограничивают их применение в области биотехнологии [13]. Недавно было разработано новое семейство полимеров (ПЭГ) на основе олиго (этиленгликоля) (ОЭГ) с термореактивными свойствами [14,15,16,17]. Однако PEG в воде термореактивен только при повышенной температуре и под давлением [18], что делает PEG непригодным для многих применений. Чтобы расширить его применение в качестве термореактивных материалов, обычной практикой является присоединение функциональных групп к одному или обоим его концам OEG, создавая макромономер OEG, который затем полимеризуется с помощью различных процессов, включая, например, анионный [19], катионный [20] , полимеризация с переносом группы [21, 22]; обычная свободнорадикальная полимеризация [23]; разнообразные живые полимеризации на основе свободных радикалов, включая ATRP [24], RAFT [25, 26] и NMP [27]; и различные другие процессы полимеризации [28, 29]. В настоящее время хорошо известно, что VPTT или LCST полимеров на основе OEG можно регулировать путем изменения экспериментальных условий их синтеза, чтобы изменить их структуры, включая, например, молекулярную массу, архитектуру и длину сегмента EG, соотношение и структура сомономеров, а также природа концевых групп. Все это хорошо отражено в недавних обзорах [1, 17].

Примечательно, что абсолютное большинство опубликованных исследований чувствительных полимеров на основе OEG было подготовлено с одним концом мономера OEG, функционализированным (мет) акрилатом, в то время как другой конец завершался простым эфиром. Таким образом, полученные таким образом полимеры состоят из основной цепи (мет) акриловых сегментов с цепями OEG в качестве боковых групп, что делает полимер OEG гребнеобразной цепью. Другой общей особенностью полимеров на основе OEG, о которых сообщалось до настоящего времени, является то, что эти полимеры были получены в основном путем полимеризации одного макромономера OEG [19] или сополимеризации двух или более макромономеров OEG с разной длиной или структурой [14,15, 16], ни в том, ни в другом случае. В отличие от этого фона, новый тип полимера на основе OEG, P (OEGDA-MAA), получен в этой работе путем сополимеризации олиго (этиленгликоль) диакрилата (OEGDA) с метакриловой кислотой (MAA) путем осаждения полимеризации в вода. Таким образом, образованный таким образом полимер сшивается из-за структуры диакрилата и, как показано, термореактивен с ВПТВ в воде, что похоже на обычно сообщаемый фазовый переход типа НКТР, тогда как в этаноле этот полимер демонстрирует ВПТВ типа UCST. Оба VPTT сильно зависят от концентрации. Эти фазовые переходы характеризуются полимерным составом и морфологией в дисперсии при различной концентрации. Таким образом, эта работа обеспечивает новый тип полимера, реагирующего на стимулы, с большим потенциалом для различных применений, особенно в биомедицинских областях.

Методы

Материалы

Олиго (этиленгликоль) диакрилат (OEGDA, Mn =575) был приобретен у Aladdin (Шанхай, Китай). Метакриловая кислота (MAA) была от Tianjin Guangcheng Chemicals (Тяньцзинь, Китай), с ингибиторами, удаленными пропусканием через основной Al ₂ О ₃ (Sinopharm Chemical Regent Co. Ltd., Шанхай, Китай). Персульфат аммония (APS) был поставлен Tianjin Hedong Hongyan Chemicals (Тяньцзинь, Китай). Пакеты для диализа (MWCO 3500) были от Union Carbide Corporation (Шанхай, Китай).

Подготовка P (OEGDA-MAA)

Сополимер OEGDA и MAA, P (OEGDA-MAA), получали полимеризацией осаждения в воде. Для типичного процесса MAA (0,1834 г, 2,11 ммоль) и OEGDA (0,8166 г, 1,43 ммоль, молярное соотношение OEGDA / MAA =40/60) добавляли в 500 мл деионизированной воды, предварительно помещенной в стеклянную колбу емкостью 1 л. Вместимость л. После продувки азотом для удаления кислорода добавляли раствор APS (10 мас.%, 300 мкл). Колбу быстро закрывали и помещали в водяную баню при 70 ° C, чтобы начать полимеризацию обычно на 4 часа. Прозрачное содержимое бутылки быстро мутнеет после инициирования, что указывает на осаждение полимера. В конце полимеризации реакционную систему охлаждали до комнатной температуры, и мутная эмульсионная смесь превращалась в прозрачную полимерную дисперсию, в которую предварительно добавлялось определенное количество раствора NaCl (2 M) с pH 1,0, предварительно отрегулировано с помощью хлористоводородной кислоты. Добавление раствора NaCl вызывало осаждение полимера, который собирали центрифугированием при 10 000 об / мин, повторно диспергировали в воде и, наконец, подвергали диализу против деионизированной воды при комнатной температуре в течение 72 часов для удаления NaCl.

Характеристика

¹ H ЯМР-анализ полимеров выполняли на ЯМР-спектрометре 400 МГц (Avance III, Bruker, Швейцария) с использованием диметилсульфоксида- d ₆ (ДМСО- d ₆ ) в качестве растворителя. Морфологию высушенного полимера наблюдали с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM, FEI Quanta Feg-250, США). Содержание OEGDA в полимере определяли с помощью потенциометрического титрования, как описано ранее [30]. Дисперсию полимера в деионизированной воде (1,0 мг / мл) титровали до pH 11,5 с помощью калиброванного раствора NaOH с концентрацией около 0,1 М. pH дисперсии измеряли и записывали с помощью pH-метра (Metrohm 808 Titrandio, Швейцария). Точку эквивалентности использовали для определения содержания МАК в сополимере. ВПТВ P (OEGDA-MAA) в желудочной дисперсии (pH =1,0, 150 мМ NaCl) измеряли, как описано ранее [30]. VPTT P (OEGDA-MAA) в его этанольной дисперсии определяли путем отслеживания пропускания дисперсии светом 565 нм с использованием спектрофотометра (UV3101PC, Shimadzu, Япония). Полимерную дисперсию сначала нагревали до 70 ° C, выше температуры перехода, уравновешивали в течение 5 мин, а затем охлаждали от 65 до 10 ° C с интервалом 5 ° C, также время установления равновесия составляло 5 мин при каждой температуре. . Была записана зависимость пропускания от температуры, и температура, при которой было достигнуто 50% от максимального пропускания, была принята как VPTT. Размер и распределение по размерам гидрогелей P (OEGDA-MAA) в этаноле и в воде измеряли с помощью динамического светорассеяния (DLS, Nano-ZS, Malvern Instruments, Великобритания).

Результаты и обсуждение

Анализ состава P (OEGDA-MAA)

Примечательно, что в описанных препаратах различных термореактивных полимеров на основе OEG подавляющее большинство макромономеров OEG функционализировано только на одном конце, и для большинства из них метакрилат используется в качестве концевых групп, тогда как для сомономеров низкомолекулярных соединений веса, используются различные (мет) акрилаты и акриламид, а МАА используется редко [3, 13, 14, 15, 16, 17]. Чтобы приготовить новый тип термореактивных полимеров на основе OEG, новый тип OEG с обоими концами, функционализированными акрилатом (OEGDA), был сополимеризован в воде с MAA, также редко используемым мономером (см. Дополнительный файл 1:Рисунок S1). Полимеризацию проводили с 40% OEGDA в молях. Состав полученного P (OEGDA-MAA) анализировали с помощью ¹ H ЯМР (рис. 1). Назначение пиков было выполнено на основе пиков используемых мономеров (см. Дополнительный файл 1:Рисунок S2) и описанных полимеров с подобными структурами [31]. Группа пиков при химическом сдвиге зоны 1,2 м.д. или ниже была отнесена к метильным протонам в звене MAA в полимере; большой и острый пик при 2,0 м.д. был отнесен к протонам в основной цепи, состоящей из MAA и акриловых сегментов, в то время как группа больших пиков от 3,2 до 3,9 м.д. была отнесена к протонам этилена основной цепи. Характеристические пики при химических сдвигах 12,35 и 4,11 м.д. (рис.1), приписываемые карбоксильному протону MAA (Ha) и протонам эфира оксиэтилена (Hb), непосредственно примыкающим к акрилатным звеньям, были использованы для оценки состава сополимер. Содержание OEGDA в сополимере P (OEGDA-MAA) рассчитывали по формуле. 1:

¹ Спектр ЯМР 1Н P (OEGDA-MAA)

где S _а представляет собой интегрированную площадь поверхности пика при 12,35 м.д., представляющего протоны карбоновой кислоты и S _b это пик при 4,11 м.д. [30]. Таким образом, содержание OEGDA в сополимере составляло 40,9 мол.%. Это же содержание OEGDA было также оценено потенциометрическим титрованием (см. Дополнительный файл 1:Рисунок S3), которое дало 38,8 мол.% Для содержания OEGDA. По сравнению с соотношением мономеров, используемых для получения полимера (40 мол.% OEGDA), можно сделать вывод, что два мономера, OEGDA и MAA, были полностью сополимеризованы.

Морфология P (OEGDA-MAA)

Чтобы приготовить водную дисперсию P (OEGDA-MAA), высушенный полимерный гидрогель известного количества диспергировали в заданном количестве воды при комнатной температуре, прозрачную дисперсию, подобную раствору, получали простым встряхиванием флакона вручную, потому что это проводили ниже ВПЧВ полимера в воде, в дальнейшем именуемого как ВПЧВ с низким значением. Для диспергирования P (OEGDA-MAA) в этаноле известное количество полимера добавляли в этанол в известном количестве в стеклянной бутылке с завинчивающейся крышкой, предварительно помещенной на водяную баню при 70 ° C при магнитном перемешивании. При осторожном перемешивании квазипрозрачная дисперсия образовывалась в течение от 30 минут до 1 часа, в зависимости от концентрации полимера. Для всех дисперсий в этаноле с различной концентрацией полимера их выдерживали при нагревании при 70 ° C в течение 1 ч, чтобы получить уравновешенное набухание полимера, с последующим охлаждением до комнатной температуры, в результате чего квазипрозрачные дисперсии становились мутными. поскольку эта комнатная температура была намного ниже VPTT полимера в этаноле. Прозрачную водную дисперсию и мутную суспензию полимера в этаноле вынимали и капали на подставку для образца для наблюдения морфологии с помощью SEM. Выбранные изображения представлены на рис. 2. Видно, что наноразмерные частицы гидрогеля со среднечисловым диаметром около 40 нм четко наблюдались для образца, приготовленного из водной дисперсии (1,0 мг / мл, рис. 2а). ). Примечательно, что полимеризация проводилась при 70 ° C, температуре, значительно превышающей низкое значение VPTT полимера, в котором были образованы частицы полимера. Хотя образовавшийся полимер не растворяется в воде, он должен быть очень гидрофильным, зная, что он в основном состоит из этоксилата и метакриловой кислоты. Принимая это во внимание, можно предположить, что полимер будет выпадать в осадок на более поздней стадии полимеризации, поскольку было замечено, что прозрачный раствор стал мутным примерно через 30 минут после инициирования, что намного дольше, чем при обычной полимеризации с осаждением [32, 33]. Кроме того, концентрация мономера была очень низкой (0,2 мас.%), И образовавшийся полимер P (OEGDA-MAA) был сшитым. Все это вместе дает образование частиц наногеля очень маленького размера, около 40 нм в высушенном состоянии, что неудивительно. При комнатной температуре в воде, либо за счет охлаждения полимеризационной системы в конце полимеризации, либо за счет повторного диспергирования высушенного полимера в воде, эти частицы гидрогеля, как полагают, действительно не растворяются на молекулярном уровне, потому что полимер был сшитым, они были вместо этого. в значительной степени набухший от воды до такой степени, что полимеризационная система выглядела как настоящий раствор полимера с коэффициентом пропускания 100% (рис. 3). Фактически, гидродинамический размер частиц ( R _h , радиус) около 12 нм был обнаружен в этой системе в конце полимеризации с помощью DLS (дополнительный файл 1:Рисунок S4). По сравнению с размером (диаметром 40 нм) частиц в сухом состоянии (рис. 2а) размер DLS частиц гидрогеля был даже меньше, что предполагает, что частицы гидрогеля должны были агрегировать во время испарения воды в образце SEM. Это легко понять, поскольку частицы гидрогеля со 100% пропусканием в его водной дисперсии должны быть в значительной степени набухшими, и частицы гораздо меньшего размера в их сухом состоянии, чем предполагалось, если бы каждая из них оставалась независимой. и образовывались твердые частицы при удалении растворителя. Зная, что сшитый полимер полностью набух, а концы их гидрофильных цепей в значительной степени вытянуты в окружающую водную фазу, их гидрофильные цепи и концы должны до некоторой степени проникать друг в друга. Это сделало всю дисперсию очень однородной. 100% пропускание дисперсии было показателем однородности. В этом случае некоторая агрегация частиц гидрогеля не была неожиданной с испарением воды; на самом деле это должно быть неизбежно.

СЭМ-изображения P (OEGDA-MAA), полученные из их дисперсии при комнатной температуре и различной концентрации в воде при 1 мг / мл ( a ) и в этаноле при 5 мг / мл ( b ) и 10 мг / мл ( c )

Зависимость светопропускания дисперсии P (OEGDA-MAA) (1,0 мг / мл, 150 мМ NaCl) от температуры при различных значениях pH

Что касается мутной смеси P (OEGDA-MAA) в этаноле при комнатной температуре, образец готовили таким же образом, капая его на подложку для образца, и морфологию наблюдали с помощью SEM. Для образца с концентрацией 5 мг / мл было обнаружено, что наночастицы, наблюдаемые в воде, как показано на рис. 2а, исчезли (рис. 2b). Вместо этого появились агрегированные гранулы гидрогелевого полимера, и размер гранул был значительно больше, чем у частиц, полученных из их водной дисперсии (рис. 2а). Это явный признак того, что шелушение было совершенно различным для двух типов дисперсий.

Наиболее вероятно, что полимерные цепи гидрогеля были более взаимопроникающими в этаноле выше высокого VPTT типа UCST, чем в воде ниже низкого VPTT типа LCST. Это очень вероятно, поскольку этанол больше похож на P (OEGDA-MAA) по структуре и гидрофильности. При охлаждении до комнатной температуры исходные наночастицы гидрогелевых полимеров, образовавшиеся при их синтезе и в значительной степени набухшие выше этого высокого VPTT типа UCST, слипались, и поэтому наблюдались гранулы или их агрегация. При более высокой концентрации (10 мг / мл, рис. 2c) в этаноле казалось, что полимерные цепи гидрогеля еще больше проникают друг в друга, в результате чего образуется непрерывная пленка гидрогеля с случайно распределенными небольшими гранулами.

Низкое значение VPTT гидрогеля P (OEGDA-MAA) в воде

Этот полимер, P (OEGDA-MAA), синтезированный выше, был термореактивным (рис. 3), и чувствительность также сильно зависела от pH. VPTT 33 ° C был обнаружен в воде при концентрации 1 мг / мл и pH 1,0, и этот VPTT сдвигался к более высокой температуре при 42 ° C при pH 3, очевидное увеличение с повышением pH. При дальнейшем увеличении pH до 5 полимер не показывал никаких изменений в светопропускании, то есть VPTT исчезал. Эти наблюдения предполагают, что присутствие ионов водорода было необходимо для того, чтобы полимер гидрогеля обладал термореактивностью, в отличие от большинства реагирующих материалов на основе OEG, полученных с мономерами, не содержащими карбоновую кислоту, которые остаются чувствительными при pH =7 или выше [34] . Известно, что чувствительный полимер солюбилизируется или набухает при сшивании при комнатной температуре за счет различных взаимодействий между их цепями и молекулами воды, то есть их поведение ВПТВ можно рассматривать как следствие конкуренции между взаимодействиями гидрофильного полимера с водой и гидрофобными. полимер-полимерные взаимодействия [1, 2, 7, 16, 35]. Ниже этого VPTT взаимодействия между гидрофильной частью полимера и водой предпочтительны, молекулы воды располагаются вокруг полимерных цепей, устанавливая водородные связи с гидрофильными сегментами EG, что приводит к солюбилизации полимера, если она линейна, и набуханию при сшивании, в то время как выше VPTT это взаимодействие вода-полимер уменьшается синхронно с усилением взаимодействий между самими гидрофобными полимерами, что приводит к дегидратации полимерных цепей и их самоагрегации. Для большинства полимеров на основе OEG без карбоксильного фрагмента в их цепях нет сильного донора водородной связи, но есть слабые ван-дер-ваальсовы взаимодействия. Зависимость VPTT от pH относительно умеренная. Однако ситуация резко меняется, когда карбоксильные группы включаются в полимерные цепи, как в данном случае для P (OEGDA-MAA). При низкой температуре (

Этот переход VPTT был хорошо продемонстрирован изменением размера частиц гидрогеля, определенным с помощью DLS при различной температуре (фиг. 4) на водной дисперсии P (OEGDA-MAA) при концентрации 1 мг / мл и pH 1,0. При температуре ниже VPTT (33 ° C) были обнаружены очень мелкие частицы. Размер медленно и непрерывно увеличивался с увеличением температуры от примерно 15 нм при 10 ° C до примерно 20 нм при 25 ° C. Резкое увеличение размера частиц было обнаружено с повышением температуры по VPTT, диаметр частиц около 600 нм был обнаружен при 35 ° C, чуть выше VPTT (33 ° C); как только температура превышает значение VPTT, наблюдается еще одно медленное и постепенное увеличение размера диспергированных полимерных гидрогелей. Было совершенно очевидно, что размеры, обнаруженные здесь, примерно 600 нм при 35 ° C и 1100 нм при 60 ° C, были размерами агрегированных частиц гидрогеля по сравнению с размерами, полученными ниже VPTT. Рисунок 4 показал, что дегидратация термореактивного полимера началась намного раньше, чем VPTT; именно при VPTT или в температурном диапазоне, очень близком к нему, дегидратация в значительной степени ускорялась, что способствовало усадке частиц и агрегированию из-за обезвоживания, и было обнаружено резкое снижение пропускания, как показано на рис. Изменение размера частиц гидрогеля указывает также на то, что вызванная дегидратацией агрегация частиц гидрогеля все еще развивается после VPTT; его нельзя было обнаружить просто по светопропусканию, потому что уменьшение пропускания, таким образом, было минимальным по сравнению с высокой непрозрачностью в этом состоянии.

Диаметр термореактивного гидрогеля P (OEGDA-MAA) в водной дисперсии (1 мг / мл, pH 1,0) при разной температуре

Помимо зависимости чувствительности от pH, как показано на рис. 3, термореактивное поведение материала также тесно связано с ионной силой, концентрацией и скоростью нагревания / охлаждения. Различными авторами показано, что ВПВТ полимеров на основе ОЭГ довольно нечувствительны к концентрации [14, 37]. Однако Wu et al. сообщил, что в исследовании сополимера 2- (2-метоксиэтокси) этилметакрилата с метакрилатом метилового эфира олиго (этиленгликоля), наблюдалась небольшая разница, предположительно связанная с более высокой концентрацией (10 мас.%), чем в других исследованиях. [16]. Влияние концентрации полимера на VPTT было кратко исследовано, при этом концентрация варьировалась от 1,0 до 5,0 мг / мл (см. Дополнительный файл 1:Рисунок S5). Было обнаружено, что по сравнению с VPTT, наблюдаемым при 33 ° C для гидрогеля при концентрации 1,0 мг / мл, VPTT сдвигается к более низкой температуре 29 ° C при концентрации 2,0 мг / мл, а затем к более низкой температуре. более низкая температура около 27 ° C с увеличением концентрации до 5,0 мг / мл. Это просто из-за эффекта концентрации сополимера. В настоящем процессе нагревания, намного ниже VPTT, все или большинство полимерных цепей независимо и в значительной степени набухали в своей дисперсии; вокруг VPTT они начали агрегировать, а после VPTT все полимеры были агрегированы с образованием гетерогенной суспензии полимеров в растворителе (в данном случае вода), что привело к 0% светопропусканию. VPTT указывает момент времени, когда полимерные цепи начинают массово агрегироваться. Легко представить, что полимерные цепи легко встречаются друг с другом и объединяются в дисперсию с более высокой концентрацией, и требуется более короткое время, чтобы получить снижение пропускания, эквивалентное снижению пропускания в разбавленной дисперсии.

VPTT гидрогеля P (OEGDA-MAA) в этаноле

В отличие от VPTT типа LCST, исследования полимеров с VPTT типа UCST или UCST описаны в гораздо меньшей степени [38]. Полисульфобетаин [39] и поли ( N -акрилолиглициамид) [40,41,42] - это полимеры, которые, как сообщается, содержат UCST в воде, в то время как полиакриамид [43] и поли (ацетоацетоксиэтилметакрилат) [44], как сообщается, демонстрируют UCST в бинарной смеси растворителей этанол / вода. Roth et al. продемонстрировали, что поли [олиго (этиленгликоль) метилметакрилат простого эфира], (POEGMA), проявляет UCST в большом количестве алифатических спиртов и что температура фазового перехода UCST зависит от структуры, молекулярной массы и концентрации POEGMA, поскольку а также растворитель, сорастворители [45]. Сообщалось также, что P (NIPAM) демонстрирует поведение UCST в смеси этанол / вода [46].

В отличие от испытания VPTT типа LCST в воде, исследование VPTT типа UCST этого материала проводилось в этаноле. Пропускание регистрировали от 70 ° C до 15 ° C с временем установления равновесия 5 мин при каждой температуре (рис. 5). При температуре 70 ° C или выше дисперсия гидрогель-этанол была гомогенной и прозрачной с коэффициентом пропускания 100% для всех образцов, за исключением образца с максимальной концентрацией 30 мг / мл, из которых коэффициент пропускания составлял около 95%. Мы полагаем, что 100% пропускание будет достигнуто при увеличении времени равновесия. Этот высокий коэффициент пропускания был показателем того, что полимер гидрогеля сильно набух и что дисперсия выглядела как подлинный раствор. При понижении температуры для всех образцов наблюдалось уменьшение пропускания, которое явно зависело от концентрации. При понижении температуры до 60 ° C коэффициент пропускания оставался на уровне 100% для двух образцов с более низкой концентрацией (1 и 2 мг / мл), а заметное уменьшение пропускания наблюдалось только при понижении температуры ниже 60 ° C, тогда как для Для трех образцов с более высокой концентрацией (5, 10 и 30 мг / мл) очевидное снижение пропускания было обнаружено, начиная с 70 ° C, и уменьшение было более значительным для образца с более высокой концентрацией. При 60 ° C коэффициент пропускания образцов упал до 87, 80 и 70% соответственно, строго в порядке их концентрации от низкой к высокой. Это было точно так же, как наблюдаемое при низком уровне VPTT в воде, и его легко понять по эффекту концентрации. Единственная разница заключалась в том, что здесь речь шла об этаноле вместо воды, и при понижении температуры внутри- и межмолекулярные взаимодействия полимеров гидрогеля стали более важными, эти взаимодействия обогнали взаимодействия между полимером и этанолом. Молекулы этанола, связанные с полимерными цепями выше VPTT, постепенно диссоциировали при понижении температуры, и полимерные цепи начинали самоагрегироваться, когда температура приближалась к VPTT, что приводило к снижению светопропускания, как показано на рис.5.

Пропускание P (OEGDA-MAA) в этаноле с разной концентрацией. На вставках - оптические изображения гидрогелей в этаноле (1 мг / мл) при 25 и 60 ° C соответственно

Механизм фазового перехода

Чтобы лучше понять механизм этого VPTT типа UCST, размер частиц гидрогеля при концентрации 1 мг / мл был измерен в процессе охлаждения при разной температуре (времени) с использованием DLS, точно так же, как это было сделано для VPTT типа LCST. Результаты показаны на рис. 6. Очень маленький размер частиц, около 8 нм в радиусе ( R _h ), была получена при 60 ° C, хотя образец выглядел однородным и прозрачным. Небольшой размер частиц гидрогеля соответствовал размеру наногеля в воде ниже этого низкого значения VPTT при 10 ° C (диаметр 15 нм, рис. 4), что может указывать на то, что сшитый гидрогель в значительной степени набух до состояние, подобное индивидуальному растворению на молекулярном уровне при такой низкой концентрации, и концы гидрофильных цепей (в основном карбоксильные группы) полностью вытянуты в направлении окружающего растворителя; вся система действительно была однородной и выглядела полностью прозрачной. Учитывая количество используемого MAA (60 мол.%) И его высокую растворимость в воде, не исключено, что некоторые сегменты цепи, и особенно концы цепи, состоящие только из MAA, хорошо присутствовали в полимерах. Эти концы цепи будут наиболее подвержены воздействию окружающего растворителя в их полностью набухшем состоянии, то есть воде ниже ВПТВ типа НКТР и этанола выше ВПТВ типа UCST. Owing to the limited number of the hydrophilic chain ends and their high hydration, the size of the hydrogel particles detected might be only the size of the crosslinked core, as shown by the encircled area in Fig. 7. In fact, hydrogel particles with their R _h around 10 nm, determined by DLS, were often reported. Diverse examples are available, such as polyacrylamide above its UCST in aqueous alcohol solutions [43] and 4-propoxyazobenzene-terminated PNIPAM in aqueous solution below its LCST [47]. And R _h as small as 2 to 3 nm was reported for an OEG-based responsive polymer below its LCST [48]. For the present polymer, by decreasing the temperature from 60 to 45 °C, very close to the VPTT, the R _h of the hydrogel particle size slightly increased to about 7 nm. This increase might be caused by the collapse of the hydrophilic chain ends, which were extended into ethanol at temperature above the UCST-type VPTT as discussed above. At this stage, the crosslinked core of the hydrogel particles was largely shrunk because the ethanol molecules were squeezed out of the polymer inner, owing to a decrease in the interaction of the polymer chains with ethanol molecules by decreasing the temperature, accompanied by an increase in the interaction of the polymer chains between themselves. By further decreasing the temperature to 40 °C just across the UCST (43 °C), the radius of the hydrogel particles abruptly increased to a significantly large size of 150 nm, very similarly to what observed for the aqueous dispersion shown in Fig. 4 when the temperature was increased across the LCST-type VPTT. This size here is no more that of a single crosslinked nanogel as above but rather that of the aggregate of the nanogel particles, as illustrated in Fig. 7. The radius of the particle aggregates further grew to 270 nm with the temperature further decreased to 25 °C. This suggests that, before reaching the UCST-type VPTT, the transmittance decrease was due to mainly the change in polymer chain conformation, i.e., the hydrophilic chains (ethylene oxide segments, and particularly carboxylic groups) were changed from their full extension in the solvent to coils on the surface of the individual hydrogel polymer particles with a crosslinked core for each, whereas the transmittance decrease around the VPTT was caused by self-aggregation of the nanogel particles (unimers), in accordance with further disassociation of ethanol molecules from the polymer chains. This has been named as a two-step process including dehydration of the particles (unimers) and their aggregation [16, 35, 37, 49]. In characterization of LCST or VPTT by varying temperature, the disassociation of the hydrophilic chains from the solvent molecules leads to the formation of a core-shell structure, with the hydrophobic polymer chains as the core and the dehydrated chains as the shell, this mechanism is also described as formation of core-shell micelles followed by their aggregation [16, 37]. A schematic illustration is given in Fig. 7 for this mechanism.

Diameter of P(OEGDA-MAA) hydrogels in ethanol (1 mg/mL) at different temperature

Schematic illustration of the VPTT mechanism for the UCST-type VPTT of P(OEGDA-MAA) in ethanol

Выводы

A novel responsive polymer based on OEG, P(OEGDA-MAA), is prepared through precipitation copolymerization of OEGDA with MAA. The polymer prepared with 40 mol% of OEGDA was chemically crosslinked and showed a distinct LCST-type VPTT of 33 °C in water at pH 1.0 and concentration of 1.0 mg/mL. This VPTT was closely concentration and pH dependent. It shifted towards lower temperature with increased concentration, whereas a shift towards higher temperature was observed with increased pH, and the VPTT completely disappeared at pH 5. This same polymer exhibited also a UCST-type VPTT in ethanol at 43 °C, which was equally concentration dependent. The size evolution of the hydrogel particles versus temperature was measured for the two types of dispersions across their VPTT. For the LCST-type VPTT in water, a slight size increase was detected with increased temperature as long as the temperature was below this VPTT; and a dramatic size increase was observed once the temperature was increased to above this LCST-type VPTT. For the UCST-type VPTT in ethanol, the opposite was observed, i.e., a slight size increase with decreased temperature as long as the temperature was above this VPTT, and a dramatic size increase once the temperature was lowered below the UCST-type VPTT. These results suggest that the responsiveness of the polymer follows a two-step process, including a transition of polymer chain conformation from extended status to coil-form due to the dehydration of the hydrophilic chains from the largely swelled state, followed by an aggregation of the individual particles. This work provides therefore a novel type of candidate materials for potential applications in biomedical fields.

Сокращения

APS:

Ammonium persulfate

ATRP:

Atom transfer radical polymerization

DLS:

Динамическое рассеяние света

Пример:

Этиленгликоль

LCST:

Lower critical solution temperature

MAA:

Methacrylic acid

OEG:

Oligo(ethylene glycol)

OEGDA:

Oligo(ethylene glycol) diacrylate

P(OEGDA-MAA):

Poly(oligo(ethylene glycol) diacrylate-methacrylic acid)

PEG:

Poly(ethylene glycol)

PNIPAM:

P(N -isopropylacrylamide)

POEGMA:

Poly[(oligo(ethylene glycol) methyl ether methacrylate]

RAFT:

Reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization

R _h :

Hydrodynamic particle radius

UCST:

Upper critical solution temperature

VPTT:

Volume phase transition temperature