velikost textu

Co- and self-assembly of amphiphilic block copolymers

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Název:
Co- and self-assembly of amphiphilic block copolymers
Název v češtině:
Samoorganizace amfifilních blokových kopolymerů
Název v angličtině:
Co- and self-assembly of amphiphilic block copolymers
Typ:
Disertační práce
Autor:
Ing. Mariusz Marcin Uchman, Ph.D.
Školitel:
prof. RNDr. Karel Procházka, DrSc.
Oponenti:
RNDr. Petr Štěpánek, CSc.
prof. Dr. Michael Gradzielski
Id práce:
89972
Fakulta:
Přírodovědecká fakulta (PřF)
Pracoviště:
Katedra fyzikální a makromol. chemie (31-260)
Program studia:
Makromolekulární chemie (P1405)
Obor studia:
-
Přidělovaný titul:
Ph.D.
Datum obhajoby:
15. 10. 2010
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Jazyk práce:
Angličtina
Abstrakt:
Souhrn Dizertační Práce Summary of the PhD Thesis SOUHRN DIZERTAČNÍ PRÁCE Předložená práce shrnuje dva přístupy vedoucí ke vzniku nových nanostruktur ve vodných roztocích. Zatímco amfifilní blokové kopolymery a terpolymery typu AB a ABC tvoří ve vodě samovolně asociované nanostruktury, v některých systémech dochází ke vzniku společně asociovaných struktur až po přídavku dalších, často nízkomolekulárních látek, jako například kademnatých solí nebo borových klastrů. V rámci prvního přístupu byla studována samovolná asociace dvojblokového kopolymeru polystyren-block-poly((sulfamát-karboxylát)isopren) a trojblokového terpolymeru poly((sulfamát- karboxylát)isopren)-block-polystyren-block-poly(ethylen oxid), které byly připraveny S. Pispasem a G. Mountrichasem z Ústavu teoretické a fyzikální chemie při Národní výzkumné nadaci Řecké republiky (Athény, Řecko) pomocí živé aniontové polymerace a následné funkcionalizace postpolymerizační reakcí s chlorosulfonylisokyanátem. Výsledkem jsou blokové kopolymery s vysoce nekompatibilními bloky, přičemž polyelektrolytový blok obsahuje v jedné monomerní jednotce skupiny s jak silným tak slabým elektrolytovým chováním. Struktura nanočástic tvořených PS-PISC a PISC-PS-PEO byla studována v pufrech o pH v rozmezí 1 až 10 pomocí statického a dynamického rozptylu světla (SLS a DLS), analylitické ultracentrifugy (AUC), mikroskopie atomových sil (AFM), kryogenní transmisní elektronové mikroskopie (cryo-TEM), nukleární magnetické rezonance (NMR), potenciometrické titrace a fluorometrie. Protože je voda silným srážedlem PS bloku, nejsou kopolymery přímo rozpustné ve vodě a jejich vodné roztoky byly připraveny dialýzou z roztoků obsahujících tetrahydrofuran, jež je dobrým rozpouštědlem polystyrenu. Kopolymer PS-PISC tvoří ve vodě micelární agregáty, jejichž tvorba je podpořena snížením efektivního náboje v micelární slupce v kyselých pufrech. Naproti tomu SLS a AUC experimenty v bazických pufrech ukazují na přítomnost nanočástic s bimodální distribucí, které mají mnohem nižší agregační číslo. Velké micelární agregáty v roztocích o nízké hodnotě pH mají kompaktní strukturu s rigidními PISC doménami, ve kterých je většina COOH a NH2+SO3- skupin přítomna ve vnitřních částech těchto agregátů. Zbotnání PISC domén a relaxování PISC řetězců do nataženějších konformací po přídavku silné báze probíhá velmi pomalu, řádově několik dnů. Popisované nanočástice byly zobrazeny také pomocí technik AFM a cryo-TEM, přičemž struktura pozorovaných částic je v souladu s výsledky ostatních experimentálních metod. Terpolymer PISC-PS-PEO vytváří v kyselých roztocích monodispersní kineticky zamrzlé micely. Z porovnání cryo-TEM a SLS výsledků jasně plyne, že hydrofobní jádro těchto micel je tvořeno jednou, částečně vodou zbotnalou PISC doménou, ve které je zanořeno několik malých PS domén. Toto -1- Souhrn Dizertační Práce Summary of the PhD Thesis jádro je v roztoku stabilizováno dobře rozpustnými PEO bloky. NMR spektroskopie potvrzuje tvorbu vodíkových vazeb mezi PEO a PISC řetězci na fázovém rozhraní jádro/slupka uvnitř micel. Stejně jako v předchozím případě můžeme architekturu těchto nanočástic cíleně měnit změnou pH. Během zvyšování pH roztoku dochází k rozpadu multikompartmentalizovaného jádra vlivem ionizace PISC bloků. Pozorujeme přechod jádro-slupka a výsledkem jsou malé micely s PS jádry, které jsou v roztoku stabilizovány směsnou slupkou obsahující PISC a PEO bloky. Tyto micely již nejsou kineticky zamrzlé a jejich cmc můžeme určit pomocí fluorescenční spektroskopie po přídavku pyrenu. Nanočástice se složitější vnitřní strukturou, jak bylo ukázáno v předešlých případech, mají velký potenciál v mnoha oblastech chemie, biochemie a medicíny. Můžou sloužit jako modelové systémy či náhražky přírodních makromolekul, například proteinů. Nanočástice s multikompartmentalizovaným jádrem, které na základě cílené změny podmínek přecházejí na micely se směsnou slupkou, můžou být využity pro sekvenční transport léčiv. Příkladem druhého přístupu, kdy směsně asociuje více složek do jedné nanostruktury, kterou samostatné složky netvoří, je interakce hydrofilního kopolymeru poly((sulfamát-karboxylát)isopren sodný)- block-poly(ethylen oxid), SCIEO, s kademnatými ionty ve vodném roztoku. Stabilní a dobře definované nanočástice vznikají pouze v jistém rozmezí hodnot poměru počtu segmentů SCI k počtu Cd2+ kationtů. Také PEO blok musí být dostatečně dlouhý na to, aby dokázal stabilizovat micely i po následném vzniku nanočástic sulfidu kademnatého, které zůstanou uvězněny v jádře hybridní micely. Velikost CdS nanočástic lze úspěšně odhadnout z UV-Vis a fotoluminiscenčních spekter a jejich optické vlastnosti plynoucí z jejich rozměru můžeme měnit pomocí počáteční koncentrace kadmia v roztoku. Stejným způsobem, tedy vhodnou volbou poměru SCI ku Cd2+, lze připravit micelární agregáty s různou morfologií. Metody AFM a TEM prokázaly přechod sférických struktur na řetízkové micelární agregáty. Jelikož je použitý blokový kopolymer biokompatibilní, můžou hybridní struktury obsahující kvantové tečky (CdS nanočástice) najít uplatnění v bioaplikacích jako jsou biozobrazování a diagnostika. Dalším příkladem směsné asociace je interakce konjugátů fluoresceinu a metallakarboranu s cyklodextriny (CD) a fosfolipidy. Konjugáty fluoresceinu s jedním (GB176) a dvěma (GB179) karboranovými klastry, [3-kobalt bis(1,2-dikarbollid)](-1), inhibují HIV proteásu. Obě látky jsou velmi málo rozpustné ve vodě, kde tvoří špatně definované a nestabilní agregáty. Tato skutečnost komplikuje využití těchto látek v lékařských aplikacích. Nicméně koncentrace GB176 a GB179 je dostatečná k tomu, abychom pomocí různých fluorescenčních technik mohli studovat vliv amfifilního metallakarboranu na fotofyziku fluoresceinu. Jedním ze způsobů, jak předejít výše zmíněným komplikacím, je zvýšení rozpustnosti konjugátů pomocí cyklodextrinů, které jsou k tomuto účelu v aplikacích často využívány. Naše studie ukázaly, že γ- CD, který má relativně velkou hydrofobní kavitu schopnou vázat metallakarboran, má největší rozpouštěcí a -2- Souhrn Dizertační Práce Summary of the PhD Thesis komplexační efekt. Komplexy CD s GB176 a GB179, které také částečně agregují, jsou stabilní v alkalickém a neutrálním prostředí. Při poklesu pH jejich rozpustnost výrazně klesá. Vzhledem k amfifilní povaze metallakarboranů se GB176 a GB179 snadno a téměř kvantitativně zabudovávají do fosfolipidových dvojvrstev. Přítomnost fluoresceinu umožňuje zobrazit membránu pomocí fluorescenční mikroskopie a metody FLIM. Laterální difuse značek v membráně byla studována metodou FCS, přičemž naměřená data prokazují, že metallakarboranové konjugáty se v lipidické dvojvrstvě pohybují jako volné individuální molekuly. Posledním příkladem směsné asociace je vznik nanočástic hydrofilního kopolymeru poly(ethylen oxid)-block-poly(methakrylová kyselina), PEO-PMA, s metallakarboranovými konjugáty GB176 a GB179 v alkalickém pufru. Interakce karboranového klastru s PEO blokem je založena na neobvyklé dvojvodíkové vazbě mezi záporně nabitými vodíky vázanými na atomy boru s kladně nabitými vodíky na opakující se polymerní jednotce a vede ke vzniku nerozpustného komplexu tvořícího jádro micel. V případě GB176 jsou vzniklé nanočástice málo kompaktní vlivem silně nabité a hydrofilní fluoresceinové skupině. PEO bloky jsou do značné míry pohyblivé, zatímco nepravidelný tvar částic způsobuje omezenou pohyblivost PMA segmentů. Tyto skutečnosti ukazují na to, že nanočástice pravděpodobně nemá pravidelnou strukturu jádro/slupka. V nanočásticích připadá na jednu molekulu GB176 asi 20 segmentů PEO. GB179 je velmi málo rozpustná ve vodě, kde vytváří velké agregáty. Po přídavku PEO-PMA kopolymeru dochází k penetraci PEO bloků do těchto agregátů, avšak vzhledem k objemnosti molekul GB179 dochází k reorganizaci celé nanočástice při jisté koncentraci připomínající cmc. Vzniklá micela je pak sférická a kompaktní s dobře patrnou strukturou jádro/slupka. PEO bloky jsou v micelárním jádře velmi omezeně pohyblivé. Jádro navíc může obsahovat domény GB179. V micele připadá na jednu molekulu GB179 asi 150 segmentů PEO. Klastrové sloučeniny boru patří kromě jiného k zajímavým sloučeninám v materiálovém výzkumu zaměřeném na přípravu teplotně odolných kompozitů, luminiscenčních polymerů s rozsáhlým systémem konjugovaných elektronů či polymerních elektrod. V lékařských aplikacích se karborany využívají zejména k léčbě nádorových onemocnění pomocí metody BNCT. Nedávný objev inhibice HIV proteásy metallakarboranovými konjugáty však vyvolal zvýšený zájem o tyto nevšední sloučeniny. Vzhledem ke komplexnímu chování metallakarboranů ve vodných roztocích mají detailní studie o asociaci boranových klastrů s biologicky významnými systémy velký význam v aplikacích. Nové výsledky mohou přispět k přípravě vysoce účinných nosičů pro transport léčiv. -3-
Abstract v angličtině:
Souhrn Dizertační Práce Summary of the PhD Thesis SUMMARY OF THE PH.D. THESIS In the presented work, two different approaches for the formation of new functional nanoassemblies in aqueous solution were investigated. AB- and ABC-type of stimuli-responsive block co- and terpolymers and, eventually, additives like cadmium containing salt or boron clusters were utilized in the self- and/or co- assembly processes. In the self-assembly approach diblock copolymer polystyrene-block-poly((sulfamate- carboxylate)isoprene), (PS-PISC), and triblock terpolymer poly((sulfamate-carboxylate)isoprene)-block- polystyrene-block-poly(ethylene oxide), (PISC-PS-PEO), were synthesized by living anionic polymerization and functionalized via post polymerization reaction with chlorosulfonyl isocyanate. (Samples of block copolymers were synthesized by G. Mountrichas and S. Pispas from the Theoretical and Physical Chemistry Institute, National Hellenic Research Foundation, Athens, Greece). As a result, highly incompatible block copolymers, consisting of polyelectrolyte block with pH sensitive and insensitive group at the same monomeric units and some unmodified double bonds were achieved. The structures of self-assembled PS- PISC and PISC-PS-PEO nanoparticles in aqueous solutions were studied in the pH range from 1 to 10 by a combination of static and dynamic light scattering, (SLS and DLS), analytical ultracentrifugation, (AUC), atomic force and cryogenic transmission electron microscopy, (AFM and cryo-TEM), nuclear magnetic resonance spectroscopy, (NMR), potentiometric titration and fluorometry using pyrene as a polarity- sensitive fluorescent probe. Since water is a strong precipitant for the PS block, the copolymers were not directly soluble in water and their aqueous solutions have to be prepared indirectly using tetrahydrofuran as a cosolvent, which was removed by dialysis after dissolution of the samples. In the case of PS-PISC, it was found that it exists in aqueous solutions in the form of micellar aggregates. The aggregation tendency increases with decreasing effective charge density in the shell, i.e., with decreasing pH of the solution (see Fig. 1 Left (c)) The aggregates found in alkaline aqueous media have bimodal size and molar mass distribution and much smaller molar masses than those formed in acidic media as evidenced by static light scattering and analytical ultracentrifugation. The latter are dense, collapsed structures with immobile PISC domains, in which the most of COOH and NH2+SO3- groups are buried inside of the nanoparticles. The swelling of PISC domains and disentanglement of PISC chains after addition of a base are slow processes occurring on the timescale of days. AFM and cryo-TEM micrographs (Fig. 1) show structures of micellar aggregates and confirmed results achieved by other techniques. -4- Souhrn Dizertační Práce Summary of the PhD Thesis (a) (b) 160 0.7 100 0.6 0.5 (c) 0.3 (d) 80 F ag 2 0.4 1 0.6 Vertical axis / nm 120 0.3 60 0 2 4 6 8 10 0.4 0.2 pH xi / nm xi 40 0.2 80 20 app 1 0.1 0.0 0 20 40 60 80 100 RH 18 2 0 R / nm 0 300 600 900 1200 1500 Horizontal axis / nm 0.0 16 0 10 20 30 M / 106 g mol-1 14 (c) 2 4 6 8 10 pH Figure. 1 Left: Cryo-TEM images of the PS-PISC micelles deposited from (a) alkaline solution and (b) acidic solution. The resolution is 1 × 1 μm for (a) and 0.8 × 0.8 μm for (b). (c) Apparent hydrodynamic radii, RHapp, (obtained by DLS) of micellar aggregates (curve 1) and micelles (curve 2) prepared in alkaline PS-PISC solutions as functions of solution pH. Insert: Fraction of scattering intensity corresponding to the aggregates, Fag, as a function of solution pH. Right: AFM images of the PS-PISC micelles deposited from (a) alkaline solution and (b) acidic solution. (c) Section analysis of AFM scans of particles deposited from alkaline solution (curve 1) and acidic solution (curve 2). (d) The number-weighted distribution functions of the molar masses and radii (Insert) of the PS-PISC micelles deposited from alkaline solution (evaluated from the scan shown in Fig. 1 (a) Right). Narrowly dispersed, kinetically trapped micelles with a patchy core were formed in acidic solution of PISC-PS-PEO triblock terpolymer as evidence by cryo-TEM. By comparing the micellar size from theoretical calculation based on SLS results with the values obtained from cryo-TEM images were concluded that hydrophobic core consists of small PS dense domains embedded in a looser medium of partially water-swollen PISC blocks. The NMR spectroscopy revealed formation of weak HCH...OH2 hydrogen bonds, which can be ascribed to the formation of stabilizing complex between PEO and PISC at the core/shell interface of the micelles. The overall architecture of micelles could be tailored by pH adjustment. Increasing pH caused the core-to-corona transition because PISC block above pH 8 became more hydrophilic and together with PEO blocks formed mixed stabilizing shell of small PS core as shown in Fig. 2. These micelles are not kinetically frozen, having measurable cmc by the fluorescence probe technique. -5- Souhrn Dizertační Práce Summary of the PhD Thesis pH 1 pH 5 pH 9 PISC PS PEO (a) (b) (c) 200nm Figure. 2 Top: Scheme of morphologies of PISC-PS-PEO micelles at different pHs. Bottom: corresponding structures as image by (a and b) cryo-TEM and (c) AFM phase. This type of multicompartment nanostructures has great potential to be employed in many areas of chemistry, biochemistry and medicine. For example, they may serve as model systems mimicing complex biological molecules such as proteins. The evolution from multicompartment core micelles to mixed corona micelles could be used in sequential drug delivery. In the second approach (see Fig. 3), the co-assembly of double hydrophilic block copolymers poly(sodium(sulfamatecarboxylate)isoprene)-block-poly(ethylene oxide), SCIEO, and Cd2+ ions in aqueous solution was explored. It was found that the spontaneous formation of stable and reasonably well-defined nanoparticles is limited to a certain region of SCI-to-Cd2+ ratio and sufficiently long stabilizing PEO block is necessary for the preparation of CdS nanoparticles embedded within the core of hybrid micelles. A combination of UV-Vis and photoluminescence spectroscopy was used for determining the size of CdS nanoparticles embedded in hybrid micelles. The size-dependent optical properties of CdS nanoparticles could be tailored by the amount of cadmium ions loading. In the same way, i.e., by changing SCI-to-Cd2+ ratio the overall morphology of micellar aggregates could be change. Revealed by the AFM and TEM imaging, the morphology of aggregates ranges from spherical to mixture of spherical and necklace-like micelar aggregates. -6- Souhrn Dizertační Práce Summary of the PhD Thesis Figure. 3 Preparation protocol for SCIEO/CdS hybrid micelles. Because the copolymer used for the stabilization of CdS nanoparticles is fully biocompatible, the studied systems may find potential use as functional nanostructures for biomedical applications e.g. in bioimaging and diagnostics. As the next example of co-assembly, two different inhibitors of HIV protease fluorescein- metallacarborane conjugates containing one (GB176) or two (GB179) boron clusters, [3-cobalt bis(1,2- dicarbollide)](-1) anion connected with fluorescein (see Fig. 4 Left) were co-assembled in aqueous dispersion with α-, β- and γ-CD and with phospholipids bilayers since both probes (GB176 and GB179) are only little soluble in water. Nevertheless, solubility is sufficient to study the solution behavior of probes by fluorescence and other spectroscopic techniques that revealed influence of attachment of metallacarborane cluster to the fluorescein moiety on photophysics (see Fig. 4 Right). The probes self-assembled in aqueous solutions into unstable and ill-defined aggregates, which complicate their potential use in medical applications. One attempt to overcome problems with low solubility involved cyclodextrins that interacts with probes and increases their solubility. The study showed that γ-CD which contains relatively large hydrophobic cavity has the most efficient complexation effect. The complexes with CD are stable at neutral and high pH, but their solubility steeply decreases at low pH. -7- Souhrn Dizertační Práce Summary of the PhD Thesis O O O O O O O O O GB179 S O O O N N O H H OH O HO = BH = CH GB176 = Co Figure. 4 Left: Chemical structure of GB176 and GB179. Right: Normalized absorption and fluorescence emission (in Inset, ex. 495 nm) spectra of (a) GB176 and (b) GB179 in phosphate/borate buffers of various pH: 1.54, 3.45, 5.49, 6.40, 8.17, 9.22 and 10.13; the lowest and the highest values of pH are indicated in graph, and arrows indicate increase of pH. Thanks to the amphiphilic nature of metallacarboranes, both probes can be loaded at ambient temperatures in phospholipids bilayers. The presence of fluorescein allows the visualization of conjugates embedded in membranes by FLIM and by fluorescence microscopy as shown in Fig. 5. Furthermore, phospholipids bilayers are more promising candidates for solubilization of these probes since the FCS data suggest that the probes move in the membrane in a form of free individual molecules and the lateral diffusion of probes within the membrane could be measured. (b) (a) (c) Figure. 5 FLIM images of (a) GB176 in aqueous solution of the DOPC containing GUV (scale bar 5 μm), (b) GB176 in the DOPC containing SPB on glass, and (c) GB179 in the DOPC containing SPB on glass; images dimensions: (a) 33 × 33 μm, (b) and (c) 40 × 20 μm -8- Souhrn Dizertační Práce Summary of the PhD Thesis In the last example of co-assembly the double hydrophilic block copolymer poly(ethylene oxide)- block-poly(methacrylic acid), PEO-PMA, interacted with metallacarborane clusters via unusual dihydrogen bonds between negatively charged hydrogen atoms attached to boron atoms and slightly positively charged hydrogen atoms in repeating PEO units and formed insoluble core of micelles. In the case of nanoparticles containing of GB176, co-assemblies are quite loose due to the presence of highly hydrophilic fluoresein moieties. The PEO blocks are only partly immobilized. Irregular shape of the micelles causes a hindrance in PMA segments motion and the micelles probably have not distinct core/shell structure. The nanoparticles contain one GB176 molecule per roughly 20 PEO segments (see Fig.6 Left). The GB179 probe is sparingly soluble and large pre-aggregates can be detected in aqueous solutions. After addition of double hydrophilic copolymer, the ends of PEO chains penetrate into the GB179 pre- aggregates, but the nanoparticles have to reorganize due to the bulkiness of GB179 at certain copolymer concentration reminding the critical micellar concentration. The nanoparticles are spherical and compact with well-pronounced core/shell architecture. The PEO blocks are considerably immobilized within the micellar core, which may contain the GB179 nanobeads. The nanoparticles contain one GB179 molecule per roughly 150 PEO segments (see Fig. 6 Right). Figure. 6 Proposed structures of Left: PEO-PMA/GB176 micelles and AFM phase image. Right: PEO-PMA/GB179 micelles and AFM phase image. Since the metallacarborane conjugates act as potent inhibitors of HIV protease, the presented system is important from the point of view of drug delivery. Boron cluster compounds belong to promising species in the new material oriented research dealing with preparation of high temperature resistant materials, luminescent polymers with a large system of conjugated electrons or conducting polymers for preparation of electrodes, among others. As concerns their utilization in medical applications, carboranes have been used mainly as boron carriers in boron neutron capture therapy, BNCT, for treatment of tumor diseases. However, recent discovery of HIV protease inhibition activity of metallacarborane conjugates promoted an increasing interest on this fanciful group of compounds. Keeping in mind a peculiar behavior of metallacarboranes in aqueous solutions, detailed studies on self- and co-assembly of boron cluster conjugates with biologically important systems are needed, because such results may help in designing of new types of stimuli responsive carriers for drug delivery. Boron cluster compounds belong to promising species in the new material -9- Souhrn Dizertační Práce Summary of the PhD Thesis oriented research dealing with preparation of high temperature resistant materials, luminescent polymers with a large system of conjugated electrons or conducting polymers for preparation of electrodes, among others. As concerns their utilization in medical applications, carboranes have been used mainly as boron carriers in boron neutron capture therapy, BNCT, for treatment of tumor diseases. However, recent discovery of HIV protease inhibition activity of metallacarborane conjugates promoted an increasing interest on this fanciful group of compounds. Keeping in mind a complex behavior of metallacarboranes in aqueous solutions, detailed studies on self- and co-assembly of boron cluster conjugates with biologically important systems are needed, because such results may help in designing of new types of stimuli responsive carriers for drug delivery. - 10 -
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce Ing. Mariusz Marcin Uchman, Ph.D. 5.53 MB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce Ing. Mariusz Marcin Uchman, Ph.D. 73 kB
Stáhnout Abstrakt anglicky Ing. Mariusz Marcin Uchman, Ph.D. 1.05 MB
Stáhnout Posudek oponenta RNDr. Petr Štěpánek, CSc. 39 kB
Stáhnout Posudek oponenta prof. Dr. Michael Gradzielski 83 kB
Stáhnout Záznam o průběhu obhajoby 198 kB