Synthese und Charakterisierung eines neuartigen thermoresponsiven OEGDA-MAA-Nanogel-Polymers

Zusammenfassung

Stimuli-responsive Polymere sind zunehmend wertvoll in biomedizinischen und fortgeschrittenen Materialanwendungen. Hier berichten wir über ein vernetztes Polymer, Poly(oligo(ethylenglycol)diacrylat-methacrylsäure) (P(OEGDA-MAA)), hergestellt durch Fällungspolymerisation. Das Material zeigt einen niedrigkritischen Lösungstemperatur (LCST)-Typ Volumenphasenübergangstemperatur (VPTT) von 33 °C in wässrigen Medien und einen hochkritischen Lösungstemperatur (UCST)-Typ VPTT von 43 °C in Ethanol, beide bei 1 mg ml⁻¹ Konzentration. Die Übergänge sind hochgradig einstellbar durch Anpassung von Konzentration und pH, was eine vielseitige Plattform für biomedizinische und andere responsive Systeme bietet.

Hintergrund

Polymere, die auf externe Trigger wie Temperatur, pH oder Ionenstärke reagieren, sind entscheidend in Aktuatoren, Arzneimittelabgabe und Gewebetechnik. Unter ihnen haben thermoresponsive Polymere mit einem gut definierten VPTT – allgemein als LCST-Polymere bezeichnet – intensives Forschungsinteresse geweckt. Das prototypische Beispiel, Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAM), zeigt ein VPTT nahe 32 °C, was es zu einem Benchmark für biomedizinische Anwendungen macht. Allerdings leidet PNIPAM unter Hysterese, starker Proteinadsorption und Hydrolyseprodukten, die seinen klinischen Einsatz limitieren.

Polyethylenglykol (PEG)-basierte Polymere bieten eine ungiftige, nicht-immunogene Alternative. Doch PEG selbst ist nur unter hoher Temperatur oder Druck thermoresponsiv, was das Design von OEG-Makromonomeren mit Funktionalgruppen an einem oder beiden Enden anregt. Diese Makromonomere werden via anionische, kationische, ATRP, RAFT oder NMP Wege polymerisiert, was feine Kontrolle über Molekulargewicht, Architektur und Komonomerverhältnis ermöglicht. Das Anpassen dieser Parameter stimmt den LCST/UCST von OEG-Polymeren ab, wie in jüngsten Reviews dokumentiert.

Die meisten OEG-basierten responsiven Polymere sind kammförmig, mit einem Methacrylat-Rückgrat und anhängenden OEG-Ketten. Im Gegensatz dazu ist das hier berichtete Polymer, P(OEGDA-MAA), ein vernetztes Netzwerk, gebildet durch Copolymerisation von OEG-Diacrylat (OEGDA) mit Methacrylsäure (MAA) via Fällungspolymerisation in Wasser. Diese Architektur ergibt ein eindeutiges LCST in Wasser und UCST in Ethanol und bietet eine neue Klasse stimuli-responsiver Materialien mit potenzieller biomedizinischer Relevanz.

Methoden

Materialien

OEGDA (Mn = 575) wurde von Aladdin (Shanghai, China) bezogen. MAA, gereinigt durch basische Al₂O₃-Behandlung, wurde von Tianjin Guangcheng Chemicals geliefert. Ammoniumpersulfat (APS) wurde von Tianjin Hedong Hongyan Chemicals gekauft. Dialysemembranen (MWCO 3500) stammten von Union Carbide Corporation.

Herstellung von P(OEGDA-MAA)

In einem 1-L-Kolben wurden 0,8166 g OEGDA (1,43 mmol) und 0,1834 g MAA (2,11 mmol) in 500 ml deionisiertem Wasser gelöst. Nach Stickstoffspülung wurde 10 Gew.-% APS (300 µl) zugegeben. Die Reaktion wurde versiegelt und auf 70 °C für 4 h erhitzt. Trübung zeigte Polymerfällung an. Nach Abkühlung klarte die trübe Emulsion auf. Eine 2 M NaCl-Lösung (pH 1,0) wurde zur Ausfällung hinzugefügt, gefolgt von Zentrifugation (10.000 rpm), Wiederverdispergierung in Wasser und Dialyse für 72 h zur Salzremoval.

Charakterisierung

¹H-NMR (400 MHz, Bruker) in DMSO-d₆ bestätigte Zusammensetzung. OEGDA-Gehalt wurde auch durch potentiometrische Titration quantifiziert. VPTT in wässrigen (pH 1,0, 150 mM NaCl) und ethanolligen Dispersionen wurde durch Überwachung der 565 nm Transmission beim Abkühlen von 70 °C auf 10 °C bestimmt. Dynamische Lichtstreuung (DLS, Malvern Nano-ZS) maß Partikelgröße und -verteilung.

Ergebnisse und Diskussion

Zusammensetzungsanalyse

¹H-NMR-Integration der Carbonsäure- (12,35 ppm) und Ester-Peaks (4,11 ppm) ergab einen OEGDA-Gehalt von 40,9 mol-%, passend zum Feed-Verhältnis und bestätigend vollständige Copolymerisation (Gleichung 1). Potentiometrische Titration gab 38,8 mol-% OEGDA, was das NMR-Ergebnis corroboriert.

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

Morphologie

REM-Bilder (Abb. 2) zeigten ~40 nm Nanogel-Partikel im trockenen Zustand aus wässrigen Dispersionen. Die niedrig-VPTT-Dispersion (< 33 °C) erschien transparent, was einen vollständig gequollenen Zustand bestätigt. DLS maß einen hydrodynamischen Radius von ~12 nm bei 70 °C, was hochgequollene, isolierte Partikel anzeigt, die wahrscheinlich beim Trocknen aggregieren.

In Ethanol formte dasselbe Polymer größere Aggregate (Abb. 2b-c) aufgrund von Interpenetration hydrophiler Ketten oberhalb des UCST-Typ VPTT. Bei höheren Ethanolkonzentrationen entstanden kontinuierliche Hydrogelfilme.

LCST-Typ VPTT in Wasser

Bei 1 mg ml⁻¹ betrug der VPTT 33 °C bei pH 1,0, verschob sich auf 42 °C bei pH 3 und verschwand vollständig bei pH 5. Die pH-Abhängigkeit entsteht durch Protonierung der Carboxylgruppen unterhalb pKa 4,8, was Wasserstoffbrückenbindung mit Ether-Sauerstoffen ermöglicht. Bei hohem pH induziert Ionisierung elektrostatische Abstoßung, die einen gequollenen Zustand über den Temperaturbereich erhält.

DLS (Abb. 4) zeigte graduellen Größenanstieg von 15 nm (10 °C) auf 20 nm (25 °C), gefolgt von einem abrupten Sprung auf ~600 nm oberhalb des VPTT, indikativ für dehydrationsinduzierte Aggregation.

UCST-Typ VPTT in Ethanol

In Ethanol blieb das Polymer bei 70 °C transparent, aber Transmission fiel mit abnehmender Temperatur. Bei 1 mg ml⁻¹ betrug der VPTT 43 °C, mit einem zweistufigen Übergang: initiale Kettenentwässerung (Größenanstieg auf ~7 nm) und anschließende Aggregation (Größe erreichend 150 nm bei 40 °C, 270 nm bei 25 °C). Der Mechanismus spiegelt LCST-Verhalten wider, aber in umgekehrter Temperaturrichtung (Abb. 6).

Phasenübergangsmechanismus

Sowohl LCST- als auch UCST-Übergänge beinhalten einen zweistufigen Prozess: (1) Verlust der Lösungsmittelaffinität führend zu Kettenkollaps, und (2) Aggregation kollabierter Nanogele. Das vernetzte OEGDA-MAA-Netzwerk zeigt ausgeprägte Konzentrationsabhängigkeit – VPTT sinkt von 33 °C (1 mg ml⁻¹) auf 27 °C (5 mg ml⁻¹) – aufgrund erhöhter Wahrscheinlichkeit von Interpartikelkontakt.

Schlussfolgerungen

Wir haben ein vernetztes OEG-MAA-Polymer synthetisiert, das sowohl LCST-Typ VPTT in Wasser (33 °C bei 1 mg ml⁻¹, pH 1,0) als auch UCST-Typ VPTT in Ethanol (43 °C) zeigt. Die Übergänge sind einstellbar via Konzentration und pH, und die Partikelgröße entwickelt sich vorhersagbar über die Übergänge. Diese Attribute positionieren P(OEGDA-MAA) als vielversprechenden Kandidaten für temperaturresponsive biomedizinische Anwendungen.

Abkürzungen

APS:

Ammoniumpersulfat

ATRP:

Atomtransfer-Radikale Polymerisation

DLS:

Dynamische Lichtstreuung

EG:

Ethylenglycol

LCST:

Niedrigkritische Lösungstemperatur

MAA:

Methacrylsäure

OEG:

Oligo(ethylenglycol)

OEGDA:

Oligo(ethylenglycol)diacrylat

P(OEGDA-MAA):

Poly(oligo(ethylenglycol)diacrylat-methacrylsäure)

PEG:

Poly(ethylenglycol)

PNIPAM:

Poly(N-isopropylacrylamid)

POEGMA:

Poly[(oligo(ethylenglycol)methylethermethacrylat]

RAFT:

Reversible Addition-Fragmentierung Kettenübertragung Polymerisation

R_h:

Hydrodynamischer Partikelradius

UCST:

Hochkritische Lösungstemperatur

VPTT:

Volumenphasenübergangstemperatur