Синтез и характеристика нового термочувствительного наногелевого полимера OEGDA-MAA

Аннотация

Стимулореагирующие полимеры все ценнее в биомедицинских и передовых материаловедческих приложениях. Здесь мы сообщаем о перекрестно-связанном полимере, поли(олиго(этиленгликоль) диакрилат-метакриловой кислоты) (P(OEGDA-MAA)), полученном осаждающей полимеризацией. Материал демонстрирует нижнюю критическую температуру растворимости (LCST)-тип температуры фазового перехода объема (VPTT) 33 °C в водных средах и верхнюю критическую температуру растворимости (UCST)-тип VPTT 43 °C в этаноле, оба при концентрации 1 мг/мл. Переходы высоко настраиваемы путем регулировки концентрации и pH, предлагая универсальную платформу для биомедицинских и других реагирующих систем.

Введение

Полимеры, реагирующие на внешние триггеры — температуру, pH или ионную силу — ключевы в актуаторах, доставке лекарств и тканевой инженерии. Среди них термочувствительные полимеры с четко определенным VPTT — обычно называемые LCST полимерами — привлекли интенсивный исследовательский интерес. Прототипичный пример, поли(N-изопропилакриламид) (PNIPAM), показывает VPTT около 32 °C, делая его эталоном для биомедицинских приложений. Однако PNIPAM страдает от гистерезиса, сильной адсорбции белков и продуктов гидролиза, ограничивающих его клиническое применение.

Полиэтиленгликоль (PEG)-основанные полимеры предлагают нетоксичный, неиммуногенный альтернативу. Однако PEG сам термочувствителен только при высокой температуре или давлении, что побудило проектирование OEG макромономеров с функциональными группами на одном или обоих концах. Эти макромономеры полимеризуются через анионную, катионную, ATRP, RAFT или NMP пути, позволяя тонкий контроль над молекулярной массой, архитектурой и соотношением комономеров. Настройка этих параметров регулирует LCST/UCST OEG полимеров, как документировано в недавних обзорах.

Большинство OEG-основанных реагирующих полимеров — гребенчатые, с метакрилатным основным цепью и висячими OEG цепями. В отличие от этого, полимер, сообщенный здесь, P(OEGDA-MAA), — перекрестно-связанная сеть, образованная кополимеризацией OEG диакрилата (OEGDA) с метакриловой кислотой (MAA) через осаждающую полимеризацию в воде. Эта архитектура дает отдельный LCST в воде и UCST в этаноле, предлагая новый класс стимулореагирующих материалов с потенциальной биомедицинской актуальностью.

Методы

Материалы

OEGDA (Mn = 575) получен от Aladdin (Шанхай, Китай). MAA, очищенный основным Al₂O₃ 처리, поставлен Tianjin Guangcheng Chemicals. Персульфат аммония (APS) куплен у Tianjin Hedong Hongyan Chemicals. Диализационные мембраны (MWCO 3500) от Union Carbide Corporation.

Подготовка P(OEGDA-MAA)

В 1-л колбе 0,8166 г OEGDA (1,43 ммоль) и 0,1834 г MAA (2,11 ммоль) растворили в 500 мл деионизированной воды. После обдувки азотом, 10 масс.% APS (300 мкл) добавили. Реакцию запечатали и нагрели до 70 °C на 4 ч. Матьесть указывала на осаждение полимера. При охлаждении мутная эмульсия прояснялась. 2 М раствор NaCl (pH 1,0) добавляли для вызова осаждения, затем центрифугировали (10 000 об/мин), передиспергировали в воде и диализировали 72 ч для удаления соли.

Характеризация

¹H ЯМР (400 МГц, Bruker) в DMSO-d₆ подтвердил состав. Содержание OEGDA также квантифицировали потенциометрическим титрованием. VPTT в водных (pH 1,0, 150 мМ NaCl) и этанольных дисперсиях определяли мониторингом пропускания 565 нм при охлаждении от 70 °C до 10 °C. Динамическое световое рассеяние (DLS, Malvern Nano-ZS) измеряло размер частиц и распределение.

Результаты и обсуждение

Анализ состава

Интеграция ¹H ЯМР карбоксильного (12,35 ppm) и эфирного (4,11 ppm) пиков дала содержание OEGDA 40,9 моль.%, соответствующее загрузочному соотношению и подтверждающее полную кополимеризацию (уравнение 1). Потенциометрическое титрование дало 38,8 моль.% OEGDA, подтверждая результат ЯМР.

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

Морфология

РЭМ-изображения (рис. 2) раскрыли ~40 нм наногелевые частицы в сухом состоянии из водных дисперсий. Низко-VPTT дисперсия (< 33 °C) выглядела прозрачной, подтверждая полностью разбухшее состояние. DLS измерил гидродинамический радиус ~12 нм при 70 °C, указывая на сильно разбухшие, изолированные частицы, которые, вероятно, агломерируются при сушке.

В этаноле тот же полимер формировал более крупные агрегаты (рис. 2b-c) из-за интерпенетрации гидрофильных цепей выше UCST-типа VPTT. При более высоких концентрациях этанола возникали непрерывные гидрогелевые пленки.

LCST-тип VPTT в воде

При 1 мг/мл VPTT составлял 33 °C при pH 1,0, смещаясь к 42 °C при pH 3 и полностью исчезая при pH 5. pH-зависимость возникает от протонирования карбоксильных групп ниже pKa 4,8, позволяя водородное связывание с эфирными кислородами. При высоком pH ионизация индуцирует электростатическое отталкивание, поддерживая разбухшее состояние по температурному диапазону.

DLS (рис. 4) показал постепенный рост размера от 15 нм (10 °C) до 20 нм (25 °C), за которым следовал резкий скачок до ~600 нм выше VPTT, указывающий на агрегацию, индуцированную дегидратацией.

UCST-тип VPTT в этаноле

В этаноле полимер оставался прозрачным при 70 °C, но пропускание падал при снижении температуры. При 1 мг/мл VPTT был 43 °C, с двухступенчатым переходом: начальная дегидратация цепей (рост размера до ~7 нм) и последующая агрегация (размер достигает 150 нм при 40 °C, 270 нм при 25 °C). Механизм зеркалирует LCST поведение, но в обратном температурном направлении (рис. 6).

Механизм фазового перехода

Оба LCST и UCST переходы включают двухступенчатый процесс: (1) потеря сродства с растворителем, ведущая к схлопыванию цепей, и (2) агрегация схлопнувшихся наногелей. Перекрестно-связанная OEGDA-MAA сеть демонстрирует выраженную концентрационную зависимость — VPTT снижается с 33 °C (1 мг/мл) до 27 °C (5 мг/мл) — из-за увеличенной вероятности межчастичного контакта.

Заключение

Мы синтезировали перекрестно-связанный OEG-MAA полимер, демонстрирующий LCST-тип VPTT в воде (33 °C при 1 мг/мл, pH 1,0) и UCST-тип VPTT в этаноле (43 °C). Переходы настраиваемы через концентрацию и pH, и размер частиц предсказуемо эволюционирует через переходы. Эти атрибуты позиционируют P(OEGDA-MAA) как перспективного кандидата для термореагирующих биомедицинских приложений.

Аббревиатуры

APS:

Персульфат аммония

ATRP:

Атомно-трансферная радикальная полимеризация

DLS:

Динамическое световое рассеяние

EG:

Этиленгликоль

LCST:

Нижняя критическая температура растворимости

MAA:

Метакриловая кислота

OEG:

Олиго(этиленгликоль)

OEGDA:

Олиго(этиленгликоль) диакрилат

P(OEGDA-MAA):

Поли(олиго(этиленгликоль) диакрилат-метакриловая кислота)

PEG:

Поли(этиленгликоль)

PNIPAM:

Поли(N-изопропилакриламид)

POEGMA:

Поли[(олиго(этиленгликоль) метиловый эфир метакрилат]

RAFT:

Обратимая добавка-фрагментация цепного переноса полимеризация

R_h:

Гидродинамический радиус частицы

UCST:

Верхняя критическая температура растворимости

VPTT:

Температура фазового перехода объема