Preparação de Nanogéis Poliméricos Termorresponsivos de Oligo (Etilenoglicol) Diacrilato-Ácido Metacrílico e Caracterização de Suas Propriedades

Resumo

Os polímeros com resposta a estímulos têm recebido atenção crescente nos últimos anos devido às suas amplas aplicações em diversos campos. Um novo polímero responsivo a estímulos, com base em oligo (etilenoglicol) diacrilato (OEGDA) e ácido metacrílico (MAA), P (OEGDA-MAA), é preparado por polimerização por precipitação e mostra ter um VPTT do tipo LCST (fase de volume temperatura de transição) a 33 ° C em água e um VPTT do tipo UCST a 43 ° C em etanol, todos na concentração de 1 mg / mL. Ambos os VPTTs são fortemente dependentes da concentração e do pH, fornecendo uma maneira fácil de ajustar a temperatura de transição de fase. O polímero é caracterizado quanto à sua composição e morfologia em água e em etanol em diferentes concentrações. As duas transições são estudadas e interpretadas com base nos resultados. Este trabalho fornece uma nova forma para a preparação de um novo tipo de polímero responsivo a estímulos com grande potencial para diferentes aplicações, particularmente aquelas em áreas biomédicas, pois polímeros responsivos a estímulos baseados em PEG são conhecidos por serem não tóxicos e não imunogênicos.

Histórico

Os polímeros que respondem a estímulos são capazes de responder a estímulos externos com mudanças consideráveis em suas propriedades físico-químicas [1,2,3]. Uma grande variedade de suas aplicações, incluindo atuadores, entrega de drogas, transferência de genes e separação de materiais, foram desenvolvidas [4,5,6,7] graças a essa capacidade de resposta. Entre os estímulos externos comuns, como temperatura, pH, força iônica, campo elétrico e ultrassom, polímeros responsivos à mudança de temperatura, a saber, polímeros termossensíveis, têm recebido grande atenção por décadas [1,2,3,4,5,6, 7,8,9], dos quais os polímeros com uma temperatura de transição de fase de volume (VPTT) ou uma temperatura de solução crítica mais baixa (LCST), para polímeros solúveis não reticulados, foram de longe os mais amplamente estudados. Isso é particularmente verdadeiro para P ( N -isopropilacrilamida), PNIPAM, um polímero termossensível extensamente estudado por suas potenciais aplicações biomédicas [2, 9,10,11,12] devido ao seu VPTT em água em torno de 32 ° C, próximo à temperatura do corpo humano.

É bem aceito que os materiais baseados em PNIPAM são de histerese discernível, têm fortes interações de ligações de hidrogênio com proteínas e produzem aminas de baixo peso molecular durante a hidrólise. Todas essas propriedades têm limitado suas aplicações no campo da biotecnologia [13]. Recentemente, uma nova família de polímeros (PEG) à base de oligo (etilenoglicol) (OEG) com propriedades termorrespostas foi desenvolvida [14,15,16,17]. No entanto, o PEG em água é apenas termorresponsivo em temperaturas elevadas e sob pressão [18], o que torna o PEG inadequado para muitas aplicações. Para ampliar suas aplicações como materiais termorresponsivos, a prática comum é anexar grupos funcionais em um ou ambos os seus terminais OEG, formando um macromonômero OEG, que é então polimerizado através de diferentes processos, incluindo, por exemplo, aniônico [19], catiônico [20] , polimerização por transferência de grupo [21, 22]; polimerização de radical livre convencional [23]; uma variedade de polimerizações vivas baseadas em radicais livres, incluindo ATRP [24], RAFT [25, 26] e NMP [27]; e diversos outros processos de polimerizações [28, 29]. É agora bem conhecido que VPTT ou LCST dos polímeros baseados em OEG podem ser ajustados alterando as condições experimentais de suas sínteses, a fim de alterar suas estruturas, incluindo por exemplo o peso molecular, a arquitetura e o comprimento do segmento EG, a proporção e a estrutura dos comonômeros e a natureza dos grupos finais. Todos estes foram bem apresentados em revisões recentes [1, 17].

É notável que a maioria absoluta dos estudos relatados sobre polímeros responsivos à base de OEG foi preparada com uma extremidade do monômero OEG funcionalizada por (met) acrilato enquanto a outra extremidade é terminada por um éter. Os polímeros assim preparados são, portanto, constituídos por uma espinha dorsal dos segmentos (met) acrílicos com as cadeias OEG como grupos pendentes, o que torna o polímero OEG uma cadeia semelhante a um pente. Outra característica comum para os polímeros à base de OEG relatados até o momento é que esses polímeros foram preparados principalmente por polimerização de um único macromonômero OEG [19] ou copolimerização de dois ou mais macromonômeros OEG de comprimento ou estrutura OEG diferente [14,15, 16], não reticulado em nenhum dos casos. Em contraste com este histórico, um novo tipo de polímero à base de OEG, P (OEGDA-MAA), é preparado neste trabalho por copolimerização de oligo (etilenoglicol) diacrilato (OEGDA) com ácido metacrílico (MAA), através da polimerização por precipitação em agua. O polímero assim formado é, portanto, reticulado por causa da estrutura do diacrilato e é mostrado ser termorresponsivo com um VPTT em água, que é semelhante à transição de fase do tipo LCST comumente relatada, enquanto que no etanol este polímero demonstra um VPTT do tipo UCST. Ambos os VPTTs são intimamente dependentes da concentração. Essas transições de fase são caracterizadas em relação à composição e morfologia do polímero em dispersão em diferentes concentrações. Este trabalho fornece, portanto, um novo tipo de polímero responsivo a estímulos com grande potencial para diferentes aplicações, particularmente nas áreas biomédicas.

Métodos

Materiais

O diacrilato de oligo (etilenoglicol) (OEGDA, Mn =575) foi adquirido na Aladdin (Shanghai, China). O ácido metacrílico (MAA) era de Tianjin Guangcheng Chemicals (Tianjin, China), com inibidores removidos pela passagem através de Al básico ₂ O ₃ (Sinopharm Chemical Regent Co. Ltd., Xangai, China). Persulfato de amônio (APS) foi fornecido por Tianjin Hedong Hongyan Chemicals (Tianjin, China). Os sacos de diálise (MWCO 3500) eram da Union Carbide Corporation (Shanghai, China).

Preparação de P (OEGDA-MAA)

O copolímero de OEGDA e MAA, P (OEGDA-MAA), foi preparado por polimerização por precipitação em água. Para um processo típico, MAA (0,1834 g, 2,11 mmol) e OEGDA (0,8166 g, 1,43 mmol, razão molar de OEGDA / MAA =40/60) foram adicionados a 500 mL de água desionizada pré-localizada em um frasco de vidro de 1 Capacidade L. Após a purga de nitrogênio para remover o oxigênio, foi adicionada solução de APS (10% em peso, 300 μL). O frasco foi rapidamente selado e colocado em banho-maria a 70 ° C para iniciar a polimerização por 4 horas geralmente. O conteúdo transparente da garrafa rapidamente se tornou turvo após a iniciação, indicando a precipitação do polímero. No final da polimerização, o sistema de reação foi resfriado até a temperatura ambiente, e a mistura turva tipo emulsão se transformou em uma dispersão de polímero transparente, para a qual uma certa quantidade de solução de NaCl (2 M) com pH em 1,0, pré- ajustado com ácido clorídrico. A adição da solução de NaCl provocou a precipitação do polímero, que foi coletado por centrifugação a 10.000 rpm, redisperso em água e finalmente dialisado contra água deionizada em temperatura ambiente por 72 h para remoção do NaCl.

Caracterização

¹ A análise de H NMR dos polímeros foi realizada em um espectrômetro de NMR de 400 MHz (Avance III, Bruker, Suíça) usando dimetilsulfóxido- d ₆ (DMSO- d ₆ ) como solvente. A morfologia do polímero seco foi observada em microscópio eletrônico de varredura (SEM, FEI Quanta Feg-250, US). O conteúdo de OEGDA do polímero foi determinado usando titulação potenciométrica conforme descrito anteriormente [30]. Uma dispersão do polímero em água desionizada (1,0 mg / mL) foi titulada para pH 11,5 com solução de NaOH calibrada de cerca de 0,1 M. O pH da dispersão foi medido e registrado com um medidor de pH (Metrohm 808 Titrandio, Suíça). O ponto de equivalência foi usado para determinar o conteúdo de MAA no copolímero. VPTT de P (OEGDA-MAA) em uma dispersão gástrica (pH =1,0, NaCl 150 mM) foi medido como descrito anteriormente [30]. VPTT de P (OEGDA-MAA) em sua dispersão de etanol foi determinado seguindo a transmitância da dispersão por uma luz de 565 nm usando um espectrofotômetro (UV3101PC, Shimadzu, Japão). A dispersão de polímero foi primeiro aquecida a 70 ° C, acima da temperatura de transição, equilibrada por 5 min, e seguida por resfriamento de 65 a 10 ° C em um intervalo de 5 ° C com também um tempo de equilíbrio de 5 min a cada temperatura . A transmitância versus temperatura foi registrada, e a temperatura, na qual 50% da transmitância máxima foi alcançada, foi considerada como o VPTT. O tamanho e a distribuição de tamanho dos hidrogéis P (OEGDA-MAA) em etanol e em água foram medidos por espalhamento de luz dinâmico (DLS, Nano-ZS, Malvern Instruments, UK).

Resultados e discussão

Análise de composição de P (OEGDA-MAA)

É notável que, nas preparações relatadas de diversos polímeros termorresponsivos à base de OEG, uma grande maioria dos macromonômeros de OEG é funcionalizada em apenas um terminal, e para a maioria dos quais o metacrilato é usado como os grupos terminais, enquanto que para os comonômeros de baixo peso molecular peso, uma variedade de (met) acrilatos e acrilamida são usados e MAA raramente é usado [3, 13,14,15,16,17]. Para preparar um novo tipo de polímeros termorresponsivos à base de OEG, um novo tipo de OEG com ambos os terminais funcionalizados com acrilato (OEGDA) foi copolimerizado em água com MAA, também um monômero raramente usado (ver arquivo adicional 1:Figura S1). A polimerização foi feita com 40% de OEGDA em moles. A composição do P obtido (OEGDA-MAA) foi analisada por ¹ H NMR (Fig. 1). As atribuições dos picos foram realizadas com base nos monômeros usados (ver arquivo adicional 1:Figura S2) e nos polímeros relatados com estruturas semelhantes [31]. O grupo dos picos no deslocamento químico de 1,2 ppm ou zona inferior foi atribuído aos prótons de metila na unidade MAA no polímero; o pico grande e agudo a 2,0 ppm foi atribuído aos prótons na cadeia principal que consiste em MAA e segmentos acrílicos, enquanto o grupo dos picos grandes apareceu de 3,2 a 3,9 ppm foi atribuído aos prótons do etileno da espinha dorsal. Os picos característicos, em deslocamentos químicos de 12,35 e 4,11 ppm (Fig. 1) atribuídos ao próton carboxílico de MAA (Ha) e os prótons de éster de oxietileno (Hb) imediatamente adjacentes às unidades de acrilato, foram usados para estimar a composição do copolímero. O conteúdo de OEGDA no copolímero P (OEGDA-MAA) foi calculado pela Eq. 1:

¹ Espectro de H NMR de P (OEGDA-MAA)
$$ \ left [\ mathrm {OEGDA} \ right] \ \ mathrm {in} \ \ mathrm {the} \ \ mathrm {copolímero} \ \ left (\ mathrm {mol} \% \ right) =\ left ({ S} _ {\ mathrm {b}} / 4 \ direita) / \ esquerda ({S} _ {\ mathrm {a}} + {S} _ {\ mathrm {b}} / 4 \ direita) $$ ( 1)
onde S _a é a área de superfície integrada do pico a 12,35 ppm que representa os prótons carboxílicos e S _b é aquele do pico a 4,11 ppm [30]. O teor de OEGDA no copolímero foi assim obtido como sendo 40,9 mol%. Este mesmo conteúdo de OEGDA também foi estimado por titulação potenciométrica (ver arquivo adicional 1:Figura S3), que deu 38,8 mol% para o conteúdo de OEGDA. Em comparação com a proporção dos monômeros usados para a preparação do polímero (40% molar de OEGDA), pode-se concluir que os dois monômeros, OEGDA e MAA, foram totalmente copolimerizados.

Morfologia de P (OEGDA-MAA)

Para preparar a dispersão aquosa de P (OEGDA-MAA), o hidrogel de polímero seco de quantidade conhecida foi disperso em uma determinada quantidade de água à temperatura ambiente, uma dispersão semelhante a uma solução límpida foi obtida por simples agitação manual do frasco, porque isso foi feito abaixo do VPTT do polímero em água, referido daqui em diante como baixo VPTT. Para a dispersão de P (OEGDA-MAA) em etanol, uma quantidade conhecida do polímero foi adicionada ao etanol de quantidade conhecida em um frasco de vidro com tampa de rosca, pré-localizado em banho-maria a 70 ° C sob agitação magnética. Sob agitação suave, uma dispersão quase límpida foi formada em 30 min a 1 h, dependendo da concentração de polímero. Para todas as dispersões em etanol com diferentes concentrações de polímero, elas foram mantidas aquecendo a 70 ° C por 1 h a fim de obter o intumescimento equilibrado para o polímero, seguido de resfriamento até a temperatura ambiente, o que tornou as dispersões quase claras turvas, uma vez que esta temperatura ambiente estava muito abaixo do VPTT do polímero em etanol. A dispersão aquosa límpida e a suspensão turva em etanol do polímero foram retiradas e gotejadas sobre o suporte de amostra para observação da morfologia por MEV. As imagens selecionadas são apresentadas na Fig. 2. É visto que as partículas de hidrogel de tamanho nanométrico, com seu diâmetro médio numérico de cerca de 40 nm, foram claramente observadas para a amostra preparada a partir da dispersão aquosa (1,0 mg / mL, Fig. 2a ) É notável que a polimerização foi realizada a 70 ° C, uma temperatura significativamente acima do baixo VPTT do polímero, no qual as partículas de polímero foram formadas. Embora o polímero formado não seja solúvel em água, eles devem ser altamente hidrofílicos, sabendo-se que consistem principalmente de etoxilato e ácido metacrílico. Levando isso em consideração, é concebível que o polímero precipitasse em um estágio posterior da polimerização, pois foi observado que a solução límpida tornou-se turva em torno de 30 min após a iniciação, um tempo muito mais longo do que na polimerização por precipitação convencional [32, 33]. Além disso, a concentração de monômero era muito baixa (0,2% em peso) e o polímero formado, P (OEGDA-MAA), foi reticulado. Com tudo isso combinado, a formação de partículas de nanogel de tamanho muito pequeno, cerca de 40 nm no estado seco, não foi surpreendente. À temperatura ambiente em água, seja por resfriamento do sistema de polimerização no final da polimerização ou por redispersão do polímero seco em água, acredita-se que essas partículas de hidrogel não estejam realmente dissolvidas em um nível molecular porque o polímero foi reticulado, elas foram, em vez disso amplamente inchado pela água em uma extensão tal que o sistema de polimerização parecia uma verdadeira solução de polímero com uma transmitância de 100% (Fig. 3). Na verdade, um tamanho de partícula hidrodinâmica ( R _h , o raio) de cerca de 12 nm foi detectado neste sistema no final da polimerização por DLS (arquivo adicional 1:Figura S4). Em comparação com o tamanho (diâmetro, 40 nm) das partículas no estado seco (Fig. 2a), o tamanho DLS das partículas de hidrogel foi ainda menor, o que sugere que as partículas de hidrogel devem ter agregado durante a evaporação da água na amostra SEM. Isso é fácil de entender, uma vez que as partículas de hidrogel, com 100% de transmitância em sua dispersão aquosa, devem ser amplamente aumentadas, e partículas de tamanho muito menor em seu estado seco do que o tamanho DLS seriam antecipadas se cada uma delas tivesse sido mantida independente e formaram partículas sólidas quando o solvente foi removido. Sabendo que o polímero reticulado foi totalmente dilatado, com suas extremidades de cadeia hidrofílica amplamente estendidas para a fase aquosa circundante, suas cadeias hidrofílicas e terminais devem ser interpenetrados até certo ponto. Isso tornou toda a dispersão altamente homogênea. A transmitância de 100% da dispersão foi uma indicação da homogeneidade. Sob esta circunstância, alguma agregação das partículas de hidrogel não foi inesperada com a evaporação da água; deveria ser de fato inevitável.

Imagens SEM de P (OEGDA-MAA) obtidas a partir de sua dispersão em temperatura ambiente em diferentes concentrações em água a 1 mg / mL ( a ) e em etanol a 5 mg / mL ( b ) e 10 mg / mL ( c )

Dependência da transmitância de luz da dispersão de P (OEGDA-MAA) (1,0 mg / mL, NaCl 150 mM) da temperatura em diferentes pH

Quanto à mistura turva de P (OEGDA-MAA) em etanol à temperatura ambiente, a amostra foi preparada da mesma forma, por meio de queda sobre o suporte de amostra e morfologia observada em MEV. Para a amostra na concentração de 5 mg / mL, verificou-se que as nanopartículas, observadas na água como mostrado na Fig. 2a, desapareceram (Fig. 2b). Em vez disso, apareceram grânulos agregados do polímero de hidrogel e o tamanho dos grânulos foi significativamente maior do que o das partículas obtidas a partir de sua dispersão em água (Fig. 2a). Este é um forte indício de que o deswelling foi bastante diferente para os dois tipos de dispersões.

É mais provável que as cadeias de polímero de hidrogel fossem mais interpenetradas em etanol acima do alto VPTT do tipo UCST do que na água abaixo do baixo VPTT do tipo LCST. Isso é muito provável, uma vez que o etanol é mais semelhante ao P (OEGDA-MAA) na estrutura e hidrofilicidade. Ao resfriar até a temperatura ambiente, as nanopartículas originais dos polímeros de hidrogel, formadas em sua síntese e amplamente aumentadas acima deste alto VPTT do tipo UCST, foram grudadas e os grânulos ou sua agregação foram, portanto, observados. Em uma concentração mais alta (10 mg / mL, Fig. 2c) em etanol, parecia que as cadeias de polímero de hidrogel foram mais interpenetradas que um filme de hidrogel contínuo foi formado, com pequenos grânulos dispersos aleatoriamente presentes.

Baixo VPTT de hidrogel P (OEGDA-MAA) na água

Este polímero, P (OEGDA-MAA) como sintetizado acima, era termorresposta (Fig. 3), e a capacidade de resposta também era intimamente dependente do pH. Um VPTT de 33 ° C foi detectado em água na concentração de 1 mg / mL e pH 1,0, e este VPTT mudou para uma temperatura mais alta a 42 ° C em pH 3, um aumento óbvio com o aumento do pH. Com o pH aumentado ainda mais para 5, o polímero não mostrou qualquer alteração na transmitância de luz, ou seja, o VPTT desapareceu. Essas observações sugerem que a presença de íons de hidrogênio era necessária para que o polímero de hidrogel fosse termorresponsivo, bastante diferente da maioria dos materiais responsivos à base de OEG preparados com monômeros livres de ácido carboxílico, que permanecem responsivos em pH =7 ou superior [34] . Sabe-se que um polímero responsivo é solubilizado, ou dilatado se reticulado, à temperatura ambiente por diferentes interações entre suas cadeias e moléculas de água, ou seja, seu comportamento VPTT pode ser considerado como consequência da competição entre as interações polímero hidrofílico-água e hidrofóbico interações polímero-polímero [1, 2, 7, 16, 35]. Abaixo deste VPTT, as interações entre a porção hidrofílica do polímero e a água são favorecidas, as moléculas de água são dispostas em torno das cadeias poliméricas, estabelecendo ligações de hidrogênio com os segmentos EG hidrofílicos, levando à solubilização do polímero se linear e inchando quando reticulado, enquanto acima do VPTT , essa interação água-polímero é reduzida, sincronizadamente com o aumento das interações entre os próprios polímeros hidrofóbicos, levando à desidratação das cadeias poliméricas e sua auto-agregação. Para a maioria dos polímeros baseados em OEG sem porção carboxílica, não há forte doador de ligações de hidrogênio em suas cadeias, mas fracas interações de van der Waals. A dependência do VPTT no pH é relativamente moderada. No entanto, a situação muda drasticamente quando grupos carboxílicos são incorporados nas cadeias de polímero, como no caso presente para P (OEGDA-MAA). Em baixa temperatura (
Esta transição VPTT foi bem demonstrada pela variação de tamanho das partículas de hidrogel, determinada por DLS em diferentes temperaturas (Fig. 4) em uma dispersão aquosa de P (OEGDA-MAA) na concentração de 1 mg / mL e pH 1,0. A uma temperatura abaixo do VPTT (33 ° C), foram detectadas partículas muito pequenas. O tamanho estava em aumento lento e contínuo com o aumento da temperatura, de cerca de 15 nm a 10 ° C a cerca de 20 nm a 25 ° C. Um aumento abrupto no tamanho das partículas foi detectado com o aumento da temperatura através do VPTT; um diâmetro das partículas de cerca de 600 nm foi detectado a 35 ° C, logo acima do VPTT (33 ° C); assim que a temperatura ultrapassa o VPTT, outro aumento lento e gradual no tamanho dos hidrogéis de polímero dispersos foi observado. Era bastante óbvio que os tamanhos detectados aqui, cerca de 600 nm a 35 ° C e 1100 nm a 60 ° C, eram os das partículas de hidrogel agregadas, em comparação com os obtidos abaixo do VPTT. A Figura 4 revelou que a desidratação do polímero termo-responsivo começou muito antes do VPTT; foi no VPTT ou em uma faixa de temperatura muito próxima a ela que a desidratação foi amplamente acelerada, o que promoveu a retração e a agregação das partículas devido à desidratação, e que uma diminuição acentuada na transmitância foi detectada, conforme ilustrado na Fig. 3 A variação do tamanho das partículas de hidrogel indicou também que a agregação causada por desidratação das partículas de hidrogel ainda estava se desenvolvendo após o VPTT; não era detectável simplesmente pela transmissão de luz porque a diminuição na transmitância era mínima em comparação com a alta opacidade neste estado.

Diâmetro do hidrogel P termorresponsivo (OEGDA-MAA) em dispersão aquosa (1 mg / mL, pH 1,0) em diferentes temperaturas

Além da dependência da responsividade com o pH, conforme visto na Fig. 3, o comportamento termorresponsivo do material também está intimamente relacionado à força iônica, à concentração e à taxa de aquecimento / resfriamento. Foi demonstrado por diferentes autores que o VPTT de polímeros baseados em OEG é bastante insensível à concentração [14, 37]. No entanto, Wu et al. relataram, em um estudo sobre um copolímero de 2- (2-metoxietoxi) etil metacrilato com oligo (etilenoglicol) metacrilato de éter metílico, que uma ligeira diferença foi observada e supostamente atribuída a uma concentração mais alta (10% em peso) do que em outros estudos [16]. A influência da concentração de polímero no VPTT foi investigada brevemente, com a concentração variando de 1,0 a 5,0 mg / mL (ver arquivo adicional 1:Figura S5). Verificou-se que, em comparação com o VPTT observado a 33 ° C para o hidrogel na concentração de 1,0 mg / mL, o VPTT foi deslocado para uma temperatura inferior de 29 ° C na concentração de 2,0 mg / mL, e a mais temperatura mais baixa de cerca de 27 ° C com a concentração aumentada para 5,0 mg / mL. Isso se deve simplesmente ao efeito da concentração do copolímero. No presente processo de aquecimento, muito abaixo do VPTT, todas ou a maioria das cadeias de polímero foram independentemente e amplamente aumentadas em sua dispersão; em torno do VPTT, eles começaram a se agregar e, após o VPTT, todos os polímeros foram agregados para formar uma suspensão heterogênea dos polímeros no solvente (água no presente caso), levando a 0% de transmitância de luz. VPTT é a indicação do ponto de tempo em que as cadeias de polímero começam a agregar maciçamente. É fácil conceber que as cadeias de polímero sejam fáceis de encontrar para agregar em uma dispersão de maior concentração, e um tempo mais curto é necessário para ter uma redução na transmitância equivalente àquela em uma dispersão diluída.

VPTT de hidrogel P (OEGDA-MAA) em etanol

Em contraste com o VPTT do tipo LCST, estudos sobre os polímeros com o VPTT do tipo UCST ou UCST foram relatados em uma extensão muito menor [38]. Polissulfobetaína [39] e poli ( N -acriloliglicimida) [40,41,42] são os polímeros relatados com UCST em água, enquanto poliacrilamida [43] e poli (acetoacetoxietil metacrilato) [44] são relatados para exibir UCST em mistura binária de etanol / água. Roth et al. demonstraram que poli [oligo (etilenoglicol) metacrilato de éter metílico], (POEGMA), exibiu UCST em uma grande variedade de álcoois alifáticos e que a temperatura de transição de fase UCST era dependente da estrutura, peso molecular e concentração de POEGMA, como bem como o solvente, co-solventes [45]. P (NIPAM) também foi relatado para exibir comportamento UCST na mistura de etanol / água [46].

Diferente do teste no VPTT tipo LCST em água, o estudo do VPTT tipo UCST, desse material, foi realizado em etanol. A transmissão foi registrada de 70 ° C a 15 ° C com um tempo de equilíbrio de 5 min em cada temperatura (Fig. 5). Quando a temperatura era de 70 ° C ou mais, a dispersão de hidrogel-etanol era homogênea e transparente, com transmitância de 100% para todas as amostras, exceto aquela na maior concentração de 30 mg / mL, cuja transmitância foi cerca de 95%. Acreditamos que uma transmitância de 100% seria alcançada com um tempo de equilíbrio estendido. Essa alta transmitância era uma indicação de que o polímero de hidrogel estava muito dilatado e que a dispersão parecia uma solução autêntica. Com a temperatura diminuindo, uma diminuição na transmitância foi observada para todas as amostras e estava claramente relacionada à concentração. Com a temperatura diminuída para 60 ° C, a transmitância permaneceu em 100% para as duas amostras com concentração mais baixa (1 e 2 mg / mL), e uma diminuição discernível na transmitância foi observada apenas quando a temperatura desceu abaixo de 60 ° C, enquanto para nas três amostras com maior concentração (5, 10 e 30 mg / mL), uma diminuição óbvia na transmitância foi detectada a partir de 70 ° C, e a diminuição foi mais significativa para a amostra de maior concentração. A 60 ° C, a transmitância das amostras caiu para 87, 80 e 70%, respectivamente, estritamente na ordem de sua concentração de baixa para alta. Este foi exatamente o mesmo que o observado no baixo VPTT na água, e facilmente compreensível pelo efeito da concentração. A única diferença era que aqui ele estava preocupado com o etanol em vez da água e, ao baixar a temperatura, as interações intra e intermoleculares dos polímeros de hidrogel tornaram-se mais importantes, essas interações ultrapassaram aquelas entre o polímero e o etanol. As moléculas de etanol associadas às cadeias de polímero acima do VPTT foram gradualmente desassociadas quando a temperatura foi diminuída, e as cadeias de polímero começaram a se autoagregar quando a temperatura estava próxima à VPTT, levando à diminuição da transmitância de luz, conforme mostrado na Fig. 5.

Transmitância de P (OEGDA-MAA) em etanol com diferentes concentrações. As inserções são as imagens ópticas dos hidrogéis em etanol (1 mg / mL) a 25 e 60 ° C, respectivamente

Mecanismo de transição de fase

Para melhor compreender o mecanismo deste VPTT tipo UCST, o tamanho das partículas de hidrogel na concentração de 1 mg / mL foi medido no processo de resfriamento em diferentes temperaturas (tempo) usando DLS, exatamente como o feito para o VPTT tipo LCST. Os resultados são apresentados na Fig. 6. Um tamanho de partícula muito pequeno, de cerca de 8 nm de raio ( R _h ), foi obtido a 60 ° C, embora a amostra parecesse homogênea e transparente. O pequeno tamanho das partículas de hidrogel estava de acordo com o tamanho do nanogel em água abaixo do baixo VPTT a 10 ° C (diâmetro de 15 nm, Fig. 4), o que pode ser uma indicação de que o hidrogel reticulado foi amplamente dilatado para um estado exatamente como ser dissolvido individualmente em um nível molecular em uma concentração tão baixa, e as extremidades da cadeia hidrofílica (principalmente grupos carboxílicos) totalmente estendidas em direção ao solvente circundante; todo o sistema era de fato homogêneo e parecia totalmente transparente. Dada a quantidade de MAA usada (60% molar) e sua alta solubilidade em água, não está excluído que alguns segmentos da cadeia, e particularmente as extremidades da cadeia consistindo apenas de MAA, estivessem bem presentes nos polímeros. Estas extremidades da cadeia seriam as mais expostas para o solvente circundante no seu estado totalmente dilatado, isto é, para a água abaixo do VPTT do tipo LCST e para o etanol acima do VPTT do tipo 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

Conclusões

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.

Abreviações

APS:: Ammonium persulfate
ATRP:: Atom transfer radical polymerization
DLS:: Espalhamento de luz dinâmico
EG:: Ethylene glycol
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

Influência de nanopartículas de Ag com diferentes tamanhos e concentrações incorporadas em uma camada compacta de TiO2 na eficiência de conversão de células solares de perovskita Síntese fácil de nanopartículas de irídio livres de ligante e sua biocompatibilidade in vitro

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