velikost textu

Polimeric nanoparticles stabilised by surfactants

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:
Polimeric nanoparticles stabilised by surfactants
Název v češtině:
Polymerní nanočástice stabilizované surfaktanty
Typ:
Disertační práce
Autor:
Ing. Jiří Pánek, Ph.D.
Školitel:
RNDr. Petr Štěpánek, CSc.
Oponenti:
Ing. Josef Pleštil, CSc.
RNDr. Marián Sedlák, DrSc.
Id práce:
91765
Fakulta:
Přírodovědecká fakulta (PřF)
Pracoviště:
Katedra fyzikální a makromol. chemie (31-260)
Program studia:
Fyzikální chemie (P1404)
Obor studia:
-
Přidělovaný titul:
Ph.D.
Datum obhajoby:
26. 8. 2010
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Informace o neveřejnosti:
Práce byla vyloučena ze zveřejnění.
Jazyk práce:
Angličtina
Abstrakt:
CHARLES UNIVERSITY IN PRAGUE UNIVERZITA KARLOVA V PRAZE Faculty of Science Přírodovědecká fakulta Department of Physical and Macromolecular Katedra fyzikální a makromolekulární chemie Chemistry INSTITUTE OF ÚSTAV MAKROMOLEKULÁRNÍ CHEMIE MACROMOLECULAR CHEMISTRY AV ČR, v. v. i. AS CR, v. v. i. Oddělení nadmolekulárních polymerních soustav Department of Supramolecular Polymer Systems Polymeric nanoparticles stabilised by surfactants Polymerní nanočástice stabilizované surfaktanty Doctoral Thesis Abstract Souhrn disertační práce Jiří Pánek Jiří Pánek Supervisor: RNDr. Petr Štěpánek, DrSc. Školitel: RNDr. Petr Štěpánek, DrSc. PRAGUE 2010 PRAHA 2010 ÚVOD V současnosti se nanotechnologie stává hybnou silou vývoje nových materiálů, jak v oblasti materiálové vědy tak v biomedicínckých aplikacích. Nanomateriály mohou být konstruovány „seshora“ , tj. vytvářením nových struktur v již existujících materiálech, nebo „zespodu“, tedy spontánním uspořádáváním stavebních kamenů na molekulární úrovni s využitím různých fyzikálně chemických interakcí. Pro konstrukci spontánně uspořádaných nanomateriálů jsou vhodnými stavebními kameny polymery a kopolymery, protože umožňují velké množství kombinací základních jednotek a jejich vzájemných interakcí. Cíle mé disertace sledují současný vývoj a jsou orientovány na přípravu polymerních nano-objektů s využitím principů spontánního uspořádávání. Společný přístup, použitý pro všechny typy níže popisovaných systémů, je založen na omezení rozsahu makrofázové separace složek směsi v případě, kdy se složky stanou nemísitelnými nebo nekompatibilními vlivem vnějšího působení. Podle klasické teorie je energie systému určena entalpickým a entropickým příspěvkem a interakční parametr χ je dán Flory-Hugginsovým vztahem χ = a / T + b , kde T je absolutní teplota a a a b jsou konstanty specifické pro dvojici polymer/polymer nebo polymer/rozpouštědlo. Pro složitější systémy musí být přidán třetí člen χs χ = a / T + b + χs (1) V této jednoduché reprezentaci třetí člen popisuje všechny další interakce v systému, například efekt rozdílné teplotní roztažnosti složek systému a různé specifické interakce (vodíkové vazby, iontové interakce atd.). Formování nano- objektů je vždy řízeno termodynamikou (nárůstem parametru χ v rovnici (1)), ale může být ovlivněno specifickými interakcemi s amfifilními molekulami a kinetickými a hydrodynamickými efekty. V této disertaci jsou vyžívány efekty změny kvality rozpouštědla nebo změny teploty směsi pro přípravu polymerních nanočástic. 14 15 CÍLE METODY Jednoduchost přípravy polymerních nano-objektů je důležitým faktorem, protože Měření rozptylu záření patří mezi nejdůležitější metody v analýze polymerních s sebou často přináší dobrou reprodukovatelnost, efektivnost a možnost rozšíření materiálů. Tyto techniky využívají principy interakce záření s látkou a jsou přesným výroby z laboratorního měřítka do praxe. V překládané disertaci jsou testovány nástrojem k určování strukturních nebo dynamických charakteristik systémů fyzikálně chemické metody přípravy polymerních nanočástic. Jsou zde zahrnuty dva obsahujících makromolekuly nebo jejich nadmolekulární systémy. V současné době typy objektů: surfaktanty stabilizované polymerní nanočástice a termosenzitivní jsou dostupné dostatečně silné zdroje laserového, rentgenového nebo neutronového polymerní micely. V druhém případě je přítomnost surfaktantu nahrazena záření vhodného pro měření rozptylů. Systémy studované v této disertaci jsou amfifilními charakterem použitých blokových kopolymerů. Za určitých podmínek zředěné vodné disperze polymerních nanočástic a k jejich charakterizaci byly mohou být oba typy objektů zformovány pomocí stejných fyzikálně chemických použity dynamický rozptyl světla (DLS), statický rozptyl světla (SLS), maloúhlový principů a mohou vykazovat podobné rysy. Cíle této práce jsou: rozptyl rentgenového záření (SAXS) a maloúhlový rozptyl neutronů (SANS). Pro metodu SAXS bylo také provedeno časově rozlišené měření na rentgenovém paprsku 1. Studovat modelové nanočástice stabilizované surfaktanty, připravené generovaném synchrotronem. z hydrofobních polymerů (poly(methyl methakrylát), PMMA, nebo Každá z uvedených metod má svou specifickou použitelnost. Na rozdíl od DLS, polystyren, PS, metodou změny kvality rozpouštědla. Zjistit vliv vlastností který je citlivý k dynamickým procesům, jsou SLS a maloúhlové rozptylové složek a podmínek přípravy na charakteristiku nanočástic. techniky citlivé na hmotnost a strukturu molekul nebo částic přítomných ve vzorku. V případě použití SAXS a SANS kromě velikosti a tvaru může být zkoumána také 2. Připravit surfaktanty stabilizované nanočástice z termosenzitivního jejich struktura. Synchrotronové rentgenové záření je dostatečně intenzivní, aby polymeru (poly(N-isopropylakrylamid), PNIPAM. Popsat závislost umožnilo měření rozptylových obrazců během krátkých expozičních časů. Pomocí charakteristik nanočástic na vlastnostech polymeru a surfaktantů. této vlastnosti lze provádět časově rozlišená měření v milisekundové oblasti. V případě použití neutronového svazku jako zdroje záření vykazují chemické prvky 3. Studovat teplotně závislé micelární chování nových trojblokových různé velikosti rozptylových amplitud. Velké rozdíly v rozptylových amplitudách se kopolymerů na bázi polyoxazolinů. Najít optimální složení kopolymeru mohou projevit i pro prvky s podobnými atomovými hmotnostmi a dokonce i pro s ohledem na teplotu fázového přechodu a rozměr micel. izotopy jednoho prvku. Důležitým příkladem takových izotopů je vodík (rozptylová amplituda bi = -3.74 fm) a deuterim (bi = +6.67 fm). Záměnou jednoho izotopu 4. Připravit radioizotopově značené polymerní micely termosenzitivních druhým lze učinit složky měřených systémů pro neutrony „viditelnými“ nebo kopolymerů popsaných v bodě 3 a optimalizovat jejich vlastnosti „neviditelnými“, což značně rozšiřuje možnosti použití SANS. s ohledem na zamýšlené aplikace. 16 17 VÝSLEDKY povaha surfaktantu, jeho hydrofobicita, náboj a molární hmotnost mají také vliv na Tato kapitola popisuje některé ze získaných výsledků. Celkový stručný přehled rozměr a hustotu částic, nebyla v tomto vztahu nalezena přímá korelace, což může výsledků je uveden v kapitole Závěry. být způsobeno složitostí procesu formování nanočástic. 1. Změna kvality rozpouštědla a nanočástice stabilizované surfaktanty Polymerní nanočástice stabilizované surfaktanty mohou být připraveny ovlivněním 104 Obrázek 1. Závislost Rh/f na parametru f pro parametrů a a b v rovnici (1). Tyto parametry jsou specifické pro každý systém. Pro PMMA a surfaktanty: danou dvojici polymer/rozpouštědlo může být tedy fázová separace vyvolána (∇▼) F68; Rh/f záměnou rozpouštědla. Úspěšně byla testována samoorganizace polymerů a 103 (▲) B98; surfaktantů vyvolaná změnou kvality rozpouštědla, pomocí které se podařilo (□■) SDS; (○●) CTAB připravit stabilní a uniformní nanočástice ve vodných disperzích. Částice byly připraveny z modelových hydrofobních polymerů PMMA a PS. Postup spočívá 102 10-2 10-1 100 f=cp/csurf v rychlém smíchání roztoku polymeru v organickém rozpouštědle s roztokem surfaktantu ve vodě. Organické rozpouštědlo bylo posléze odstraněno odpařením. Byly studovány kombinace polymerů s různými molárními váhami a surfaktantů Maloúhlový rozptyl neutronů (SANS) s různým elektrickým nábojem a složením. Vznikající částice byly charakterizovány Experimenty s variací kontrastů složek při měření maloúhlového rozptylu neutronů technikami DLS, SLS a SANS. Studie ukazuje, jak se parametry nanočástic mění byly provedeny v laboratoři Leon Brillouin v CEA (Saclay, Francie) na spektrometru nejen při použití různých výchozích složek a i při změně podmínek během postupu PAXY. Selektivní substitucí vodíku za deuterium bylo dosaženo rozdílu v hustotách přípravy [1]. rozptylových amplitud a byly takto zobrazovány jednotlivé složky systému. Konkrétně jako složky nanočástic byly použity deuterovaný surfaktant dodecylsulfát Dynamický rozptyl světla (DLS) sodný (d-SDS) a deuterovaný polystyren (d-PS) v kombinaci s nedeuterovanými, tj. Systematicky byla testována různá složení vstupních komponent. Při zafixované protonovanými látkami (h-SDS, h-PS). Byly připraveny 3 sady vzorků: vstupní koncentraci surfaktantu csurf rozměr nanočástic roste s rostoucí koncentrací (i) deuterovaný polymer + protonovaný surfaktant D2O, kdy koherentní rozptyl polymeru cp. Opačná závislost nasává při rostoucí koncentraci surfaktantu (pro pochází pouze od surfaktantu a je velmi slabý. Kvůli zvýšení intenzity rozptylu byly konstantní koncentraci polymeru), kdy hydrodynamický poloměr částic Rh klesá. tyto vzorky koncentrovány odpařením části rozpouštědla (D2O). Obě závislosti lze vynést do jednoho grafu ukázaného na obrázku 1, kde je vynesen (ii) protonovaný polymer + protonovaný surfaktant v D2O rozptyl pochází od zlomek Rh/f jako funkce parametru složení směsi f, kde f=cp/csurf. Všechny polymeru i surfaktantu, tedy rozptyluje celá částice. koncentrační závislosti vypadají v této reprezentaci stejně. Toto pozorování ukazuje, (iii) protonovaný polymer + deuterovaný surfaktant v D2O. Hustoty rozptylové že formování nanočástic je do velké míry řízeno poměrem cp a csurf. Kromě amplitudy deuterovaného surfaktantu a D2O jsou téměř shodné a tedy většina parametru f ovlivňuje podstatně tvorbu nanočástic rychlost přídavku vodného rozptýleného záření pochází od polymeru. roztoku surfaktantu do roztoku polymeru a teplota složek během smíchání. Ačkoli 18 19 Typická rozptylová křivka pro systém d-PS + h-SDS, kde „viditelný“ je pouze Časově rozlišený SAXS (TR-SAXS) surfaktant, je ukázána na obrázku 2. Experiment využívající variaci kontrastů Časové měření formování polymerních nanočástic popsaných v předchozím odstavci ukazuje, že nanočástice jsou objekty s rovnoměrně rozloženou hustotou a molekuly bylo provedeno synchrotronovém svazku ID02 v ESRF (Grenoble, Francie). Měření polymeru a surfaktantu jsou rovnoměrně rozloženy v částici. Taková struktura se liší bylo provedeno pomocí jednoduché aparatury, která umožnila míchání shodných od struktury micel nebo vesiklů. Možné rozložení surfaktantu uvnitř objemu objemů polymeru v organickém rozpouštědle a vodného roztoku surfaktantu v měřicí nanočástice je zjednodušeně nakresleno na obrázku 3. kapiláře umístěné přímo ve svazku. Po smíchání bylo spuštěno měření a načítána rozptylová data. Výsledky ukazují, že kinetika formování nanočástic v přítomnosti iontových 10-1 q-2.8 surfaktantů, jako například dodecylsulfátu sodného (SDS), je mnohem rychlejší (v řádu milisekund – všechny rozptylové křivky jsou téměř identické během 2 minut po 10-2 smíchání, viz obrázek 4) než u částic obsahujících neiontové surfaktanty, jako je Is(q) / a.u. 10-3 Pluronic F68 (v řádu několika sekund – rozptylové intenzity se během 2 minut po smíchání mění v čase, viz obrázek 5). V reálném čase byla pozorována změna 10-4 povrchu z přechodné struktury do plné sféry a měření také ukazuje, že vznik částic exp fata spheres (Rg=1.7 nm; σ=0.2) + má dvě fáze: začíná nukleačním stadiem, které je následováno „obdobím růstu“ [2]. 10-5 hard spheres stracture factor (RHS=3.8nm, fp=0.31) 10-1 100 q / nm-1 Obrázek 2. Rozptylová intenzita Is jako funkce rozptylového vektoru q pro různé systémy. (○) d-PS/ h-SDS; (▲) h-PS/h-SDS; (□) h-PS/d-SDS. Plná čára je fritovací křivka. Obrázek 3. Možné rozložení surfaktantu (červená barva) a polymeru (černá barva) uvnitř nanočástice podle výsledků SANS. Obrázek 4. Časový vývoj rozptylové intenzity měřené pomocí TR-SAXS pro PMMA-SDS systém. 20 21 přechodu v roztocích. Na obrázku 6 je ukázán příklad měření teplotní závislosti hydrodynamického poloměru Rh objektů přítomných v roztoku (makromolekulárních klubek pod LCST a nanočástic nad LCST) [3]. 200 B98-PNIPA 160 120 Rh / nm 80 Obrázek 5. Časový vývoj rozptylové intenzity měřené pomocí TR-SAXS pro PMMA-F68 systém. . 40 2. Termosenzitivní polymerní nanočástice stabilizované surfaktanty 0 Další část disertace je věnována případu, kdy fázové separace je dosaženo změnou 20 25 30 35 40 45 teploty v rovnici (1). Některé polymery vykazují ve vodném prostředí rychlé, Temperature / °C reverzibilní změny indukované změnou teploty z hydrofilního stavu na hydrofobní a Obrázek 6. jsou proto nazývány „termosenzitivní.“ Mezi nejstudovanější termosenzitivní Červená křivka odpovídá postupnému ohřevu a modrá pomalému ochlazování po rychlém ohřátí roztoku na 40o C. polymery patří poly(N-isopropylakrylamid), PNIPAM, vodorozpustný polymer s Koncentrace polymeru: cPNIPA = 5 x 10-4 g ⋅ mL-1. mnoha zajímavými vlastnostmi. Změna jeho mikrostruktury z polymerního klubka Koncentrace surfaktantu:cB98 = 5 x 10-5 g ⋅ mL-1. Mη PNIPAM: 122 000. na globuli nastává při 32 °C (dolní kritická rozpouštěcí teplota, LCST). Tato vlastnost je důsledkem složité polarity jeho makromolekul. Byl navržen kvalitativní strukturní model nanočástice, který v prvním přiblížení Pomocí rozptylu světla bylo studováno teplotní chování roztoků PNIPAM oC. předpokládá uspořádání podobné micelám blokových kopolymerů. Nerozpustné s iontovými a neiontovými surfaktanty v teplotním rozmezí 15-45 Na rozdíl od jádro částice je seskládáno z hydrofobních makromolekul PNIPAM, hydrofilní dřívějších studií jiných autorů, kdy surfaktanty byly přidávány v přebytku, v této slupku tvoří hydrofilní části molekul surfaktantu. Přechodová vrstva na rozhraní práci jsou použity jejich nízké koncentrace (csurf ≤ 5 × 10-4 g ⋅ ml-1). Za takových jádra a slupky obsahuje jak hydrofobní části molekul surfaktantů tak podmínek při zvýšení teploty nad LCST již surfaktant není schopen zabránit makromolekulární řetězce PNIPAM. Na základě volby surfaktantu je možno intermolekulární agregaci a je pozorován vznik dobře definovaných nanočástic připravit nanočástice s biokompatibilním pokrytím, například poly(ethylen oxidem). PNIPAM. Byla provedena systematická studie vlivu koncentrací a molárních hmotností složek na parametry vznikajících nanočástic a na teplotu fázového 22 23 3. Termosenzitivní polymerní micely pro cílený transport radioizotopů kopolymer tvoří při ohřátí nad jeho CPT, která je 28 °C, ve vodném prostředí micely Polymerní micely patří mezi nejvíce studované systémy pro cílený transport léčiv. s hydrodynamickým poloměrem Rh = 80 - 100 nm [4]. Přehled teplotně závislého Použití takových systémů v nukleární medicíně přináší navíc další výhody. micelárního chování studovaných systémů je ukázán na obrázku 7. Radionuklid se například nemusí uvolnit z komplexu s nosičem, aby splnil svou funkci radiodiagnostika nebo radioterapeutika. Nositelem žádaného efektu je emitované ionizující záření vznikající při rozpadu jader a ten není významně 103 20% A/B=1/1 ovlivněn chemickým okolím. Pokud efektivní dosah a tím i biologická účinnost 20% A/B=1/2 záření zvoleného radionuklidu je dostatečná, transportní systém nesoucí izotop ani 20% A/B=2/1 15% A/B=2/1 nemusí proniknout do buňky. 15% A/B=1/1 15% A/B=1/2 Termosenzitivní polymerní micely s termoresponzivním jádrem a hydrofilní 102 10% A/B=1/2 Rh, nm korónou mohou být snadno připraveny pouhým ohřátím vodného roztoku blokového A=thermoresponsive nebo roubovaného kopolymeru z teploty místnosti na teplotu lidského těla. Pokud je +hydrophobic blocks B=hydrophilic blocks kopolymer správně navržen, rozměr micel může být vhodný pro spontánní akumulaci micel v cílové tkáni. 101 Byly testovány na míru připravené kopolymery poly(2-alkyl-2-oxazolinů), které jsou atraktivní pro biomedicinální výzkum díky své struktuře příbuzné peptidům a díky nastavitelným fyzikálně chemickým a biologickým vlastnostem. Dr. Hrubý 0 10 20 30 40 50 60 70 0C z našeho ústavu syntetizoval trojblokové ABA kopolymery typu poly[2-metyl-2- T, oxazolin –blok– (2-isopropyl-2-oxazolin –co– 2-butyl-2-oxazolin) –blok– 2-metyl-2- Obrázek 7. Teplotní závislost objemově váženého Rh nanočástic, chlazení oxazolin]. Polymery mají dva hydrofilní bloky A a jeden centrální termosenzitivní (koncentrace polymeru cP = 0.5 g · L-1). blok B a obsahují různé poměry monomerních jednotek. Tyto kopolymery jsou rozpustné ve vodném prostředí, jsou molekulárně rozpuštěny pod teplotou fázového přechodu („cloud point temperature“, CPT) termosenzitivního bloku a tvoří micely Během syntézy optimalizovaného kopolymeru byla část monomerních jednotek při vyšších teplotách. 2-butyl-2-oxazolinu nahrazena ekvimolárním množstvím 2-(3-butenyl)-2-oxazolinu Pomocí DLS a SLS bylo charakterizováno jejich teplotně závislé micelární a následně byla zavedena fenolová skupina. Takto modifikovaný kopolymer byl chování ve vodném prostředí. K formování micel dochází v úzkém teplotním 125I označen radioizotopem s dobrým výtěžkem značení a dostatečnou stabilitou rozmezí, jejich CPT je funkcí složení kopolymeru a roste s rostoucím obsahem v modelových podmínkách in vitro [4]. hydrofilního 2-metyl-2-oxazolinu. Optimalizovaný kopolymer obsahuje 15 molárních % hydrofobního 2-butyl-2-oxazolinu v centrálním termosenzitivním bloku při hmotnostním poměru termosenzitivního a hydrofilního bloku 1:1. Tento 24 25 ZÁVĚRY hydrofilní slupku tvoří hydrofilní části molekul surfaktantu. Přechodová vrstva na 1. rozhraní jádra a slupky obsahuje jak hydrofobní části molekul surfaktantů tak Byly systematicky studovány polymerní nanočástice stabilizované surfaktanty makromolekulární řetězce PNIPAM. připravené metodou změny kvality rozpouštědla. Pro studii byly použity modelové 3. hydrofobní polymery (PMMA, PS) a několik iontových a neutrálních surfaktantů. Bylo studováno teplotně závislé micelární chování na míru připravených Vznikající částice s hydrodynamickým poloměrem v rozmezí 50-250 nm jsou trojblokových kopolymerů typu ABA, syntetizovaných Dr. Hrubým. Kopolymery na stabilní ve vodném prostředí. Důležitým parametrem ovlivňujícím rozměr nanočástic bázi oxazolinů se skládají ze dvou hydrofilních bloků A a jednoho centrálního je koncentrační poměr složek f=cp/csurf, velikost nanočástic roste s rostoucím f. termoresponzivního bloku, který je statistickým kopolymerem 2-isopropyl-2- Kromě koncentračního poměru složek jsou rozměry částic ovlivněny rychlostí oxazolinu a 2-butyl-2-oxazolinu. CPT kopolymerů je funkcí jejich složení. Nárůst smíchaní složek a teplotou roztoků během přípravy. Ačkoli hydrofobicita obsahu hydrofobního monomeru v termosenzitivním bloku B vede ke snížení CPT. surfaktantu, jeho elektrický náboj a molární hmotnost také ovlivňují velikost a Srovnání kopolymerů s různými poměry hmotností termosenzitivního a hydrofilního hustotu částic, přímá korelace mezi veličinami nebyla nalezena, což je vysvětlováno bloku ukazuje, že nárůst hydrofilního bloku podstatně zvyšuje CPT celého složitostí procesu formování částic. kopolymeru. Celková hydrofilnost/hydrofobicita trojbloku má přinejmenším stejný Získané výsledky ukazují, že nanočástice mají sférický tvar a dobře definovaný význam vliv na hodnotu CPT jako poměr monomerních jednotek v termosenzitivním povrch. Metoda variace kontrastů při maloúhlovém rozptylu neutronů ukázala, že bloku samotném. Hmotností poměr bloků A a B také ovlivňuje rozměr micel. molekuly polymeru a surfaktantu jsou rovnoměrně rozloženy v celém objemu částic. Optimalizace složení vede k poměru termosenzitivního k hydrofilnímu bloku 1:1 a Taková struktura je odlišuje od micel, vesiklů nebo komplexů. Proces formování k obsahu 15 molárních % hydrofobního monomeru v bloku B. Takový kopolymer částic, studovaný pomocí časově rozlišeného měření maloúhlového rozptylu tvoří ve vodném prostředí micely s hydrodynamickým poloměrem 80-100 nm při rentgenového záření, probíhá ve dvou fázích. Počáteční nukleační stadium je hodnotě CPT = 28 °C, tedy blízko fyziologické teplotě lidského těla. následováno „obdobím růstu“. Náboj surfaktantu hraje během formování důležitou 4. roli. Kinetika růstu nanočástic v přítomnosti neutrálních surfaktantů je výrazně Do optimalizovaného kopolymeru byla během jeho syntézy zavedena fenolová pomalejší než v přítomnosti surfaktantů nabitých. skupina umožňující značení radioizotopy jódu. Takto modifikovaný kopolymer byl 125I 2. označen radionuklidem s dobrým výtěžkem radiochemického značení a Pomocí DLS a SLS bylo prokázáno, že lze připravit termosenzitivní, dobře dostatečnou stabilitou v modelových podmínkách in vitro. Z označeného definované nanočástice ohřátím vodného roztoku PNIPAM s nízkým přídavkem kopolymeru mohou být připraveny radioaktivní micely, potenciálně aplikovatelné surfaktantu nad LCST polymeru. Změnou chemického složení surfaktantu, v nukleární medicíně. koncentrace surfaktantu a polymeru nebo molární hmotností polymeru lze modifikovat hydrodynamický poloměr částic v intervalu 21-136 nm a jejich molární hmotnost v širokém rozsahu Mw. Byl navržen kvalitativní model struktury nanočástic, který předpokládá rozložení podobné micelám blokových kopolymerů. Nerozpustné jádro částice je seskládáno z hydrofobních makromolekul PNIPAM, 26 27
Abstract v angličtině:
CHARLES UNIVERSITY IN PRAGUE UNIVERZITA KARLOVA V PRAZE Faculty of Science Přírodovědecká fakulta Department of Physical and Macromolecular Katedra fyzikální a makromolekulární chemie Chemistry INSTITUTE OF ÚSTAV MAKROMOLEKULÁRNÍ CHEMIE MACROMOLECULAR CHEMISTRY AV ČR, v. v. i. AS CR, v. v. i. Oddělení nadmolekulárních polymerních soustav Department of Supramolecular Polymer Systems Polymeric nanoparticles stabilised by surfactants Polymerní nanočástice stabilizované surfaktanty Doctoral Thesis Abstract Souhrn disertační práce Jiří Pánek Jiří Pánek Supervisor: RNDr. Petr Štěpánek, DrSc. Školitel: RNDr. Petr Štěpánek, DrSc. PRAGUE 2010 PRAHA 2010 INTRODUCTION In the light of recent development, nanotechnology is the driving force of current research of new materials both in materials science and in biomedicinal applications. Nanomaterials can be constructed either by a top-down approach when the desired structure is produced in an already existing material or by a bottom-up approach when the required configuration is made by self-assembly of building blocks using various physicochemical interactions. Polymers and copolymers represent an ideal system for engineering of self-assembled nanomaterials since they offer a wide range of combinations of building materials that may serve for this purpose. The aims of my thesis follow the development and are oriented towards construction of specific polymeric nanoobjects using principles of self-assembly. The common approach applied to all types of systems described below is based on controlling the extent of macrophase separation that occurs in a mixture of two compounds (solvents or polymers) that became immiscible or incompatible as a result of a change of an external variable. In the classical case the energy of the system is given by enthalpic and entropic contributions and the interaction parameter χ is given by the Flory-Huggins relation χ = a /T + b where T is absolute temperature and a and b are specific for the polymer/polymer or polymer/solvent pair. For more complex systems, a third term χs has to be included: χ = a / T + b + χs (1) In this simple representation the third term includes all additional interactions in the system, in particular the effect of different temperature expansions of the system components and that of various specific interactions in the system (hydrogen bonds, ionic interactions, etc). The formation of nanoobjects is always driven by thermodynamics (increase of χ–parameter in Eq. (1)) but controlled by specific factors of interaction with the amphiphilic molecules including kinetic and hydrodynamic effects. In this dissertation, changes in temperature and in solvent quality are used to prepare polymeric nanoparticles. 1 AIMS METHODS The simplicity of preparation methods of various polymeric nanoobjects is often Scattering techniques rank among the most important instruments in polymer preferred, since it may bring good reproducibility, effectiveness and potential of analysis. Exploiting the principles of interaction of radiation with matter, such scaling up from laboratory to larger production in practise. In the presented work, methods represent a precise tool for determining both structural and dynamic physicochemical methods of preparation of polymeric nanoparticles are tested. characteristics of systems containing macromolecules or their assemblies. Common Basically, two types of objects are involved: polymeric nanoparticles stabilised by techniques use laser, X-ray or neutron beams since sufficiently powerful sources are surfactants and thermoresponsive polymeric micelles. Concerning the latter, the available. The samples studied in this work are diluted aqueous dispersions of presence of a surfactant is replaced by the amphiphilic character of the used block polymeric nanoparticles therefore dynamic light scattering (DLS), static light copolymers. Under specific conditions, both types of objects can be prepared using scattering (SLS), small-angle X-ray scattering (SAXS) and small-angle neutron the same physicochemical principle and, therefore, feature some similarities. The scattering (SANS) have been used. Time resolved measurement has been used in aims of this work are: combination with SAXS performed at high-brilliance X-ray beam generated by synchrotron. 1. To study model surfactant-stabilised nanoparticles made of hydrophobic Each of the methods has specific applicability. In comparison with DLS, which is polymers (poly(methylmethacrylate), PMMA, or polystyrene, PS, sensitive to dynamic processes such as mobility and transport, SLS and small-angle prepared by the method of change in solvent quality. To find out the scattering techniques are sensitive to the mass and structure of molecules or particles influence of various preparation conditions on nanoparticle contained within the sample. In case of SAXS and SANS, the radiation can enter the characteristics. particles and not only their size and shape, but also their structure may me 2. To prepare surfactant-stabilised nanoparticles consisting of a investigated. Synchrotron X-ray radiation offers the opportunity to use high- thermosensitive polymer (poly(N-isopropylacrylamide), PNIPAM. To brilliance beams for collection of scattering patterns over short acquisition times. learn about the dependences of nanoparticle properties both on polymer That way, time-resolved measurement in millisecond range may be performed. On and surfactant characteristics. the other hand, in SANS, the scattering amplitude can differ considerably between 3. To study temperature-dependent micellar behaviour of tailor-made some chemical elements with similar atomic masses and even between isotopes of triblock POXZ copolymers. To find out the optimal copolymer the same element. The most important pair of such isotopes is hydrogen (scattering composition considering the phase separation temperature and the size of amplitude bi = -3.74 fm) and deuterium (bi = +6.67 fm). By substituting one for the micelles. another it is possible to make some compounds “visible” or “invisible” for neutrons, 4. To prepare radiolabelled polymeric micelles made of thermoresponsive which substantially enhances the use of SANS. copolymers described in item 3. To design their properties with respect to their possible applications. 2 3 RESULTS and density of the particles, a straightforward correlation has not been found which is Some of the obtained results are shown in this section. An overview of all results is probably caused by the complexity of nanoparticle process formation. given in the section Conclusion. Figure 1. Dependence 1. Change in solvent quality and nanoparticles stabilized by surfactants 104 of Rh/f on composition ratio f for PMMA for Polymeric nanoparticles stabilized by surfactants can be prepared by acting on the various surfactants. parameters a and b in Eq. (1). These are system specific so that, e.g., for a (∇▼) F68; Rh/f polymer/solvent system phase separation is induced by a change of the solvent. Self- 103 (▲) B98; organization of polymers with surfactants initiated by a change in the solvent quality (□■) SDS; (○●) CTAB has been successfully tested resulting in formation of stable and uniform nanoparticles. Aqueous solutions of nanoparticles made of poly(methylmethacrylate) 102 10-2 10-1 100 f=cp/csurf and of polystyrene have been studied. The dispersions were prepared by a fast mixing of a solution of the polymers in an organic solvent with a solution of several Small angle neutron scattering (SANS) ionic and non-ionic surfactants in pure water. The formation of the nanoparticles was SANS experiments were performed at CEA-Saclay on the spectrometer PAXY of observed DLS, SLS and SANS. The study shows how nanoparticle properties are the Laboratoire Leon-Brillouin. In SANS, contrast variation can be used to changed by the chemical composition of surfactants, molar mass of polymers, investigate various structural details of the particles. Through a variation of concentrations of both components and finally, by variations in method of scattering by selective substitution of protons for deuterium, detailed structure can be nanoparticles preparation [1]. visualized as was demonstrated in the past for copolymers, polymer-coated particles, micelles and other self-assembled structures. For this reason, deuterated sodium Dynamic light scattering (DLS) dodecyl-d25 sulfate (d-SDS) and deuterated polystyrene (d-PS) were used in A systematic variation of composition was investigated. At the fixed concentration combination with protonated compounds (h-SDS, h-PS) as components of the of a surfactant csurf the hydrodynamic radius Rh of nanoparticles increases as the nanoparticles. Three types of systems were tested: polymer concentration cp increases. A different behaviour is observed when the (i) deuterated polymer + protonated surfactant in D2O where the coherent scattering, surfactant concentration is increasing: Rh value decreases. Both tendencies can be which is very small, originates only from the surfactant. To increase the scattering arranged in a single dependence, as shown in Figure 1, by plotting Rh/f as a function intensity the concentration of solution was increased by evaporation. of composition ratio f, where f=cp/csurf . All Rh/f vs. f dependences in Figure 1 look (ii) protonated polymer + protonated surfactant in D2O where the scattering comes alike. The observation shows that nanoparticles formation is controlled by the cp and both from the polymer and the surfactant, thus the whole nanoparticle is “visible.” csurf ratio. Besides of f, the mixing rate and temperature of the solution during (iii) protonated polymer + deuterated surfactant in D2O. The scattering length density preparation influence considerably the nanoparticles dimensions. Although the of the deuterated surfactant is almost matched by D2O. In this case most of the nature of surfactant, its hydrophobicity, charge and molar mass influence the size scattering is produced by the polymer. 4 5 Typical scattering curve for the d-PS + h-SDS system, where the surfactant is Time-Resolved Small-Angle X-ray Scattering (SAXS) visible, is plotted in Figure 2. The contrast variation experiment shows that the The time development measurement of formation of the abovementioned polymeric nanoparticles are entities with uniform density. Polymeric and surfactant molecules nanoparticles was studied. A series of SAXS experiments were performed on the are evenly distributed within the nanoparticles. Such structure distinguishes them high brilliance beam line ID02 at the ESRF (Grenoble, France). Time-dependent from other architectures like micelles, vesicles or complexes. One possible experiments were performed using a home-made apparatus. Equal volumes of the distribution of surfactant and polymer inside of a nanoparticle is in a simplified way aqueous solution of a surfactant and organic solution of a polymer in separate shown in Figure 3. syringes were injected simultaneously the measurement cell placed directly in the beam. The mixing was followed by scattering data acquisition. The results suggest that the kinetics of the formation of nanoparticles comprising 10-1 q-2.8 ionic surfactants, such as sodium dodecyl sulfate (SDS), is much faster (in the range of milliseconds – all scattering curves are almost identical up to 2 minutes after 10-2 mixing, Figure 4) than that for nanoparticles comprising non-ionic surfactants, such Is(q) / a.u. 10-3 as Pluronic F68 (on the time scales of several seconds – the scattering curves are changing during 2 minutes, Figure 5). The transformation of particle surface from 10-4 transient structure to hard sphere one has been observed in real time. The results also exp fata spheres (Rg=1.7 nm; σ=0.2) + suggest that the formation of the nanoparticles is a two stage process: in the 10-5 hard spheres stracture factor (RHS=3.8nm, fp=0.31) beginning a nucleation stage occurs which is followed by a growth regime. [2]. 10-1 100 q / nm-1 Figure 2. Scattered intensity Is as a function of the scattering vector q for various systems. (○) d-PS/ h-SDS; (▲) h-PS/h-SDS; (□) h-PS/d-SDS. Solid line is fitting curve. Figure 3. Possible distribution of a surfactant (red color) and polymer (black color) inside of a nanoparticle by SANS data. Figure 4. The temporal evolution of the SAXS intensity for a PMMA-SDS system. 6 7 concentrations and molecular weight of PNIPAM on nanoparticle parameters and on the phase transition temperature of PNIPAM solutions was investigated. An example is shown in Figure 6 where the temperature dependence of the hydrodynamic radius, Rh, was measured [3]. 200 B98-PNIPA 160 120 Rh / nm Figure 5. The temporal evolution of the SAXS intensity for a PMMA-F68 system. 80 2. Thermoresponsive polymeric nanoparticles stabilized by surfactants 40 The second part of results is devoted to the case where the phase separation is 0 achieved by a change in temperature T in Eq.(1). In aqueous environment some of 20 25 30 35 40 45 the polymers undergo fast and reversible changes in microstructure, induced by a Temperature / °C change in temperature, from a hydrophilic to a hydrophobic state and are called Figure 6. Red curve shows slow stepwise heating and blue curve corresponds to “thermoresponsive”. One of the most interesting is poly(N-isopropylacrylamide), slow stepwise cooling after fast heating of solution to 40o C. PNIPAM, which is a water-soluble polymer with many attractive properties. For Polymer concentration: cPNIPA = 5 x 10-4 g ⋅ mL-1. B98 concentration: cB98 = 5 × 10-5 g ⋅ mL-1. Mη of the PNIPAM: 122 000. example, it undergoes a coil-to-globule transition on heating at 32 °C (lower critical solution temperature, LCST); this property is the result of rather complex polarity of this molecule. The structure of particles is supposed to be similar to block copolymer micelles. Hydrophobic PNIPAM molecules form the insoluble core of particles and their Solutions of PNIPAM, with ionic and non-ionic surfactants were investigated by hydrophilic shell consists of hydrophilic parts of surfactants. An intermediate shell at oC. light scattering methods in temperature range 15 – 45 In contrast to previous the core-shell interface contains both the hydrophobic parts of surfactants and studies of the other authors, when surfactants were used in excess, low PNIPAM chains. In the case when a Pluronic [poly(ethyleneoxide) – block – concentrations of surfactant (csurf ≤ 5 × 10-4 g ⋅ mL-1) are used in this investigation. poly(propyleneoxide) – block – poly(ethyleneoxide)] surfactant is used, the Under such conditions, the surfactants are not able to prevent intermolecular nanoparticles are covered with biocompatible poly(ethyleneoxide) shells and such aggregation and the formation of well defined nanoparticles of PNIPAM is observed particles may be good candidates for prospective applications. in aqueous solution on heating above the LCST. The effect of PNIPAM or surfactant 8 9 3. Thermoresponsive polymeric micelles for radionuclide delivery copolymer, the formation of micelles with Rh of 80 - 100 nm above its CPT (28 °C) Polymer micelles rank among most often studied drug delivery systems. The use of is observed [4]. An overview of the temperature-dependent micellar behaviour of the drug delivery vehicles in nuclear medicine brings some extra benefits. The most studied systems is shown in Figure 7. remarkable one is that the radionuclide does not need to leave the complex with the carrier to maintain its function of radiodiagnostics or radiotherapeuticals. The bearer of the demanded effect is the emitted ionizing radiation controlled by nuclear decay, 103 20% A/B=1/1 which is not significantly influenced by chemical environment. Moreover, if the 20% A/B=1/2 effective range and biological effect of ionizing particle is sufficient, the drug 20% A/B=2/1 15% A/B=2/1 delivery vehicles need not even enter the cell. 15% A/B=1/1 15% A/B=1/2 Thermoresponsive polymer micelles with a thermoresponsive core and 102 10% A/B=1/2 Rh, nm hydrophilic corona can be easily produced by simple heating of aqueous solution of A=thermoresponsive the block or graft copolymer from the room to body temperature. If the copolymer is +hydrophobic blocks B=hydrophilic blocks properly designed, the size of micelles can be suitable, e.g., for spontaneous accumulation of the micelles in the target tissue. 101 New tailor-made copolymers based on poly(2-alkyl-2-oxazolines) have been tested. Poly(2-alkyl-2-oxazolines) attract increasing attention in biomedicinal research due to their peptide-related structure and adjustable physicochemical and 0 10 20 30 40 50 60 70 0C biological properties. Dr. Hrubý from our institute synthesized ABA triblock T, copolymers poly[2-methyl-2-oxazoline – block – (2-isopropyl-2-oxazoline – co – 2- Figure 7. Temperature dependence of volume-weighted Rh of nanoparticles, butyl-2-oxazoline) – block – 2-methyl-2-oxazoline]. The polymers have two cooling (cP = 0.5 g · L-1). hydrophilic A blocks and one central thermoresponsive B block with different monomer units ratios. These polymers are soluble in aqueous milieu, molecularly dissolved below the cloud point temperature (CPT) of the thermoresponsive block Part of the 2-butyl-2-oxazoline monomeric units was replaced by equimolar and form micelles at higher temperatures. number of 2-(3-butenyl)-2-oxazoline monomeric units during the synthesis and a The temperature-dependent micellar behaviour has been tested in aqueous phenolic moiety was subsequently introduced into the optimized triblock copolymer. solutions both by dynamic (DLS) and static (SLS) light scattering. Micelles are 125I Such polymer was then radiolabelled with in good yield with sufficient in vitro formed within a narrow temperature range. The CPT value is a function of the stability under model conditions [4]. copolymer composition, the CPT increases as the content of hydrophilic 2-methyl-2- oxazoline groups increases. The optimized triblock copolymer contains 15 mol-% of hydrophobic 2-butyl-2-oxazoline monomeric unit in the central thermoresponsive block with 1:1 thermoresponsive to hydrophilic block weight ratio. For that 10 11 CONCLUSION chemical composition of surfactants, concentration of surfactants or PNIPAM 1. polymers and the molecular weight of PNIPAM modify nanoparticle parameters in a Polymeric nanoparticles prepared by a change in solvent quality and stabilised by wide range of Mw and Rh values. In the first approximation, the structure of the surfactants have been systematically investigated by DLS/SLS techniques. Model particles is supposed to be similar to block copolymer micelles. Hydrophobic hydrophobic polymers (PMMA, PS) and different ionic and non-ionic surfactants PNIPAM molecules form the insoluble core of particles, their hydrophilic shell were used in the study and resulting particles with hydrodynamic radii in range 50- consists of hydrophilic parts of surfactants and an intermediate shell at the core-shell 250 nm were stable in aqueous environment. The important parameter for interface contains both the hydrophobic parts of surfactants and PNIPAM chains. nanoparticles dimensions is the composition ratio f=cp/csurf of the incoming 3. compounds. The size of nanoparticles increases as f increases. Besides of f, the The temperature dependent micellar behaviour of new ABA triblock copolymers, mixing rate and temperature of the solution during preparation influence synthesised by Dr. Hrubý, has been determined. The copolymers of oxazoline type considerably the nanoparticles dimensions. Although the nature of surfactant, its consist of two hydrophilic A-blocks and one central thermoresponsive B-block, hydrophobicity, charge and molar mass influence the size and density of the which is a statistical copolymer of 2-isopropyl-2-oxazoline and 2-butyl-2-oxazoline particles, a straightforward correlation has not been found which is probably caused monomeric units. The CPT value is a function of the polymer composition. Increase by the complexity of nanoparticle process formation. in the hydrophobic monomer content in the thermoresponsive B-block results in the The results demonstrate that nanoparticles have a spherical shape and sharp CPT reduction. The comparison of the copolymers with different thermoresponsive boundaries. The architecture of the nanoparticles has been investigated by the to hydrophilic block weight ratio shows that the increase in the hydrophilic block contrast variation SANS experiment showing that the nanoparticles are entities with content considerably increases the CPT of the whole copolymer. The overall uniform density where the polymer and surfactant molecules are evenly distributed hydrophilicity/hydrophobicity of the triblock copolymer is at least of the same within the nanoparticle volume. Such structure distinguishes them from other importance as the ratio of monomeric units of the thermoresponsive B-block itself. architectures like micelles, vesicles or complexes. The kinetics of formation of those The A to B block weight ratio influences also the size of the micelles. Optimisation nanoparticles has been observed in situ by time-resolved-SAXS measurement and of the composition leads to the weight ratio of thermoresponsive to hydrophilic block the results suggest that the formation of the nanoparticles features two stages. At the of 1:1 and the hydrophobic monomer content in the B-block of 15 mol-%. That beginning, a nucleation stage occurs which is subsequently followed by a growth copolymer forms micelles with hydrodynamic radii of 80-100 nm above 28 °C, i.e. regime. The charge of the surfactant plays an important role in the formation close to the physiological temperature. process. The kinetics of growth of the nanoparticles comprising non-ionic surfactants 4. is much slower in comparison with those containing charged surfactants. A phenolic moiety was introduced into the optimised polyoxazoline copolymer 2. during its synthesis to allow radionuclide labelling with iodine radioisotopes. The 125I It has been shown by DLS/SLS measurement that well defined thermoresponsive polymer was radiolabelled with radionuclide in good yield and with sufficient nanoparticles, with hydrodynamic radii in range 21-136 nm, can be easily prepared stability in vitro. Subsequently, radioactive polymeric micelles, potentially by heating PNIPAM solutions with low addition of surfactants above the LCST. A applicable in nuclear medicine, can be prepared. variety of surfactants, both ionic and non-ionic ones, were tested. Changes in the 12 13
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce Ing. Jiří Pánek, Ph.D. 3.49 MB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce Ing. Jiří Pánek, Ph.D. 1.71 MB
Stáhnout Abstrakt anglicky Ing. Jiří Pánek, Ph.D. 1.69 MB
Stáhnout Posudek oponenta Ing. Josef Pleštil, CSc. 94 kB
Stáhnout Posudek oponenta RNDr. Marián Sedlák, DrSc. 1.29 MB
Stáhnout Záznam o průběhu obhajoby 733 kB