Sintesis dan Karakterisasi Polimer Nanogel Termoresponsif OEGDA‑MAA Baru

Latar Belakang

Polimer yang bereaksi terhadap pemicu eksternal seperti suhu, pH, atau kekuatan ionik sangat penting dalam aktuator, pengiriman obat, dan rekayasa jaringan. Di antaranya, polimer termoresponsif dengan VPTT yang terdefinisi dengan baik—umumnya disebut polimer LCST—telah menarik minat penelitian yang intens. Contoh prototipik, poli(N‑isopropilakrilamida) (PNIPAM), menunjukkan VPTT di sekitar 32 °C, menjadikannya patokan untuk aplikasi biomedis. Namun, PNIPAM menderita histeresis, adsorpsi protein yang kuat, dan produk hidrolisis yang membatasi penggunaan klinisnya.

Polimer berbasis polietilen glikol (PEG) menawarkan alternatif yang tidak beracun dan tidak imunogenik. Namun, PEG itu sendiri hanya termoresponsif pada suhu atau tekanan tinggi, yang mendorong desain makromonomer OEG yang membawa grup fungsional di satu atau kedua ujungnya. Makromonomer ini dipolimerisasi melalui jalur anioni, kationi, ATRP, RAFT, atau NMP, yang memungkinkan kontrol halus atas bobot molekuler, arsitektur, dan rasio komonomer. Menyesuaikan parameter ini menyesuaikan LCST/UCST polimer OEG, sebagaimana didokumentasikan dalam ulasan terbaru.

Sebagian besar polimer bereaksi berbasis OEG bersisik, dengan balutan metakrilat dan rantai OEG yang melingkar. Sebaliknya, polimer yang dilaporkan di sini, P(OEGDA‑MAA), adalah jaringan bersilang yang dibentuk dengan kopolimerisasi OEG diakrilat (OEGDA) dengan asam metakrilat (MAA) melalui polimerisasi pengendapan dalam air. Arsitektur ini menghasilkan LCST yang berbeda dalam air dan UCST dalam etanol, menawarkan kelas baru materi bereaksi rangsangan dengan relevansi biomedis yang potensial.

Metode

Bahan-bahan

OEGDA (Mn = 575) diperoleh dari Aladdin (Shanghai, China). MAA, difurnirkan dengan perlakuan Al₂O₃ dasar, disuplai oleh Tianjin Guangcheng Chemicals. Amonium persulfat (APS) dibeli dari Tianjin Hedong Hongyan Chemicals. Selang dialisis (MWCO 3500) dari Union Carbide Corporation.

Penyediaan P(OEGDA‑MAA)

Dalam kolong 1 L, 0,8166 g OEGDA (1,43 mmol) dan 0,1834 g MAA (2,11 mmol) dilarutkan dalam 500 mL air deionisasi. Setelah pengosongan nitrogen, 10 wt % APS (300 µL) ditambahkan. Reaksi ditutup dan dipanaskan pada 70 °C selama 4 jam. Kekeruhan menunjukkan presipitasi polimer. Setelah pendinginan, emulsi kekeruhan menjadi jernih. Larutan NaCl 2 M (pH 1,0) ditambahkan untuk menginduksi presipitasi, diikuti sentrifugasi (10 000 rpm), redispersi dalam air, dan dialisis selama 72 jam untuk menghilangkan garam.

Karakterisasi

1H NMR (400 MHz, Bruker) dalam DMSO‑d₆ mengonfirmasi komposisi. Kandungan OEGDA juga diukur dengan titrasi potensiometrik. VPTT dalam dispersi air (pH 1,0, 150 mM NaCl) dan etanol ditentukan dengan memantau transmitansi 565 nm saat pendingin dari 70 °C ke 10 °C. Pencaharan cahaya dinamis (DLS, Malvern Nano‑ZS) mengukur ukuran partikel dan distribusi.

Hasil dan Pembahasan

Analisis Komposisi

Integrasi 1H NMR dari puncak karboksilat (12,35 ppm) dan ester (4,11 ppm) menghasilkan kandungan OEGDA sebesar 40,9 mol %, yang cocok dengan rasio umpan dan mengonfirmasi kopolimerisasi lengkap (Eq. 1). Titrasi potensiometrik memberikan 38,8 mol % OEGDA, mengonfirmasi hasil NMR.

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

Morfologi

Citra SEM (Fig. 2) mengungkapkan partikel nanogel ~40 nm dalam keadaan kering dari dispersi air. Dispersi VPTT rendah (< 33 °C) tampak transparan, mengonfirmasi keadaan yang sepenuhnya mengembang. DLS mengukur jari-jari hidrodinamis ~12 nm pada 70 °C, menunjukkan partikel yang sangat mengembang dan terisolasi yang kemungkinan menggumpal selama pengeringan.

Dalam etanol, polimer yang sama membentuk agregat yang lebih besar (Fig. 2b–c) karena interpenetrasi rantai hidrofilik di atas VPTT tipe UCST. Pada konsentrasi etanol yang lebih tinggi, film hidrogel kontinu muncul.

VPTT Tipe LCST dalam Air

Pada 1 mg mL⁻¹, VPTT adalah 33 °C pada pH 1,0, bergeser menjadi 42 °C pada pH 3 dan menghilang sepenuhnya pada pH 5. Ketergantungan pH timbul dari protonasi grup karboksil di bawah pKa 4,8, yang memungkinkan ikatan hidrogen dengan oksigen eter. Pada pH tinggi, ionisasi menginduksi tolak menarik elektrostatis, mempertahankan keadaan mengembang di seluruh rentang suhu.

DLS (Fig. 4) menunjukkan peningkatan ukuran bertahap dari 15 nm (10 °C) menjadi 20 nm (25 °c), diikuti oleh lompatan tiba-tiba menjadi ~600 nm di atas VPTT, yang menunjukkan agregasi yang diinduksi dehidrasi.

VPTT Tipe UCST dalam Etanol

Dalam etanol, polimer tetap transparan pada 70 °C, tetapi transmitansi menurun seiring penurunan suhu. Pada 1 mg mL⁻¹, VPTT adalah 43 °C, dengan transisi dua tahap: dehidrasi rantai awal (peningkatan ukuran menjadi ~7 nm) dan agregasi berikutnya (ukuran mencapai 150 nm pada 40 °C, 270 nm pada 25 °C). Mekanisme ini mencerminkan perilaku LCST tetapi dalam arah suhu yang terbalik (Fig. 6).

Mekanisme Transisi Fasa

Kedua transisi LCST dan UCST melibatkan proses dua tahap: (1) kehilangan afinitas pelarut yang mengarah pada penurunan rantai, dan (2) agregasi nanogel yang menyusut. Jaringan bersilang OEGDA‑MAA menunjukkan ketergantungan konsentrasi yang jelas—VPTT menurun dari 33 °C (1 mg mL⁻¹) menjadi 27 °C (5 mg mL⁻¹)—karena probabilitas kontak antarpartikel yang meningkat.

Kesimpulan

Kami telah menyintesis polimer OEG‑MAA bersilang yang menunjukkan VPTT tipe LCST dalam air (33 °C pada 1 mg mL⁻¹, pH 1,0) dan VPTT tipe UCST dalam etanol (43 °C). Transisi dapat disesuaikan melalui konsentrasi dan pH, dan ukuran partikel berkembang secara dapat diprediksi di seluruh transisi. Atribut ini memposisikan P(OEGDA‑MAA) sebagai calon yang menjanjikan untuk aplikasi biomedis bereaksi suhu.

Singkatan

APS:

Amonium persulfat

ATRP:

Atom transfer radical polymerization

DLS:

Pencaharan cahaya dinamis

EG:

Etilena glikol

LCST:

Suhu solusi kritis bawah

MAA:

Asam metakrilat

OEG:

Oligo(etilen glikol)

OEGDA:

Oligo(etilen glikol) diakrilat

P(OEGDA‑MAA):

Poli(oligo(etilen glikol) diakrilat‑asam metakrilat)

PEG:

Poli(etilen glikol)

PNIPAM:

P(N‑isopropilakrilamida)

POEGMA:

Poli[(oligo(etilen glikol) metil eter metakrilat]

RAFT:

Reversible addition‑fragmentation chain transfer polymerization

R_h:

Jari-jari partikel hidrodinamis

UCST:

Suhu solusi kritis atas

VPTT:

Suhu transisi fasa volume