올리고(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트-메타크릴산의 열반응성 고분자 나노겔의 제조 및 특성 특성

결과 및 토론

P(OEGDA-MAA) 성분 분석

다양한 OEG 기반 열반응성 고분자의 보고된 제조에서 대부분의 OEG 거대단량체는 한쪽 말단에서만 관능화되며 대부분의 경우 메타크릴레이트가 말단기로 사용되는 반면 저분자량의 공단량체는 중량, 다양한 (메트)아크릴레이트 및 아크릴아미드가 사용되며 MAA는 거의 사용되지 않는다[3, 13, 14, 15, 16, 17]. 새로운 유형의 OEG 기반 열반응성 폴리머를 준비하기 위해 양쪽 말단이 아크릴레이트(OEGDA)로 기능화된 새로운 유형의 OEG를 MAA와 함께 물에서 공중합했으며, 이 역시 거의 사용되지 않는 모노머입니다(추가 파일 1:그림 S1 참조). 중합은 몰 단위의 OEGDA 40%로 수행되었습니다. 얻어진 P(OEGDA-MAA)의 조성은 ¹ 에 의해 분석되었다. H NMR(그림 1). 피크 할당은 사용된 단량체(추가 파일 1:그림 S2 참조)와 유사한 구조를 가진 보고된 중합체를 기반으로 수행되었습니다[31]. 1.2ppm 이하의 화학적 이동에서 피크 그룹은 폴리머의 MAA 단위에서 메틸 양성자에 할당되었습니다. 2.0ppm의 크고 날카로운 피크는 MAA와 아크릴 세그먼트로 구성된 주쇄의 proton에 할당되었으며, 3.2~3.9ppm에 나타나는 큰 피크 그룹은 백본의 에틸렌의 proton에 할당되었습니다. 12.35 및 4.11ppm의 화학적 이동에서 특징적인 피크(그림 1)는 아크릴레이트 단위에 바로 인접한 MAA(Ha) 및 옥시에틸렌 에스테르 proton(Hb)의 카르복시 양성자에 기인하여 공중합체. P(OEGDA-MAA) 공중합체의 OEGDA 함량은 Eq. 1:

¹ P(OEGDA-MAA)의 H NMR 스펙트럼

여기서 S _아 는 카르복실 양성자와 S를 나타내는 12.35ppm에서 피크의 통합 표면적입니다. _b 4.11ppm의 피크입니다[30]. 따라서 공중합체에서 OEGDA 함량은 40.9mol%로 얻어졌습니다. 이 동일한 OEGDA 함량은 또한 전위차 적정(추가 파일 1:그림 S3 참조)에 의해 추정되었으며, OEGDA 함량은 38.8mol%입니다. 폴리머 제조에 사용된 모노머의 비율(OEGDA의 40mol%)과 비교하면 두 모노머인 OEGDA와 MAA가 완전히 공중합되었다고 결론지을 수 있습니다.

P(OEGDA-MAA)의 형태

P(OEGDA-MAA)의 수분산액을 제조하기 위해, 알려진 양의 건조된 고분자 하이드로겔을 실온에서 주어진 양의 물에 분산시켰고, 바이알을 손으로 흔드는 것만으로 투명한 용액과 같은 분산액을 얻을 수 있었다. 이하에서 낮은 VPTT라고 하는 수중 중합체의 VPTT 미만에서 수행되었다. 에탄올에 P(OEGDA-MAA)를 분산시키기 위해 자기 교반 하에 70°C의 수조에 미리 위치한 스크류 캡 유리 병에 알려진 양의 중합체를 알려진 양의 에탄올에 첨가했습니다. 부드럽게 교반하면 중합체 농도에 따라 30분에서 1시간 이내에 준투명한 분산액이 형성되었습니다. 폴리머 농도가 다른 에탄올의 모든 분산액에 대해 폴리머의 평형 팽윤을 얻기 위해 70°C에서 1시간 동안 계속 가열한 다음 실온으로 냉각하여 준투명한 분산액을 탁하게 만들었습니다. 이 실온은 에탄올에서 폴리머의 VPTT보다 훨씬 낮기 때문입니다. 중합체의 투명한 수성 분산액 및 에탄올 중 탁한 현탁액을 꺼내 SEM에 의한 형태 관찰을 위해 샘플 지지체에 떨어뜨렸다. 선택된 이미지는 그림 2에 나와 있습니다. 수평균 직경이 약 40nm인 나노 크기의 하이드로겔 입자가 수분산액(1.0mg/mL, 그림 2a)에서 제조된 샘플에서 명확하게 관찰되었음을 알 수 있습니다. ). 중합이 폴리머 입자가 형성된 폴리머의 low-VPTT보다 훨씬 높은 온도인 70°C에서 수행되었음을 알 수 있습니다. 형성된 고분자는 물에 녹지 않았지만 주로 에톡실레이트와 메타크릴산으로 구성되어 있어 친수성이 높아야 합니다. 이를 고려하면 중합의 후반 단계에서 중합체가 침전될 것이라고 생각할 수 있는데, 이는 기존의 침전 중합보다 훨씬 더 긴 시간인 개시 후 약 30분에 투명한 용액이 탁해지는 것으로 관찰되었기 때문입니다[32, 33]. 또한, 단량체 농도는 매우 낮았고(0.2wt%), 형성된 중합체 P(OEGDA-MAA)가 가교되었다. 이 모든 것이 결합되어 건조 상태에서 약 40nm의 매우 작은 크기의 나노겔 입자가 형성되는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 수중 실온에서 중합 종료 시 중합 시스템을 냉각시키거나 건조된 중합체를 물에 재분산시킴으로써 이러한 히드로겔 입자는 중합체가 가교결합되기 때문에 분자 수준에서 진정으로 용해되지 않는 것으로 여겨진다. 중합 시스템이 투과율이 100%인 실제 고분자 용액처럼 보일 정도로 물에 의해 크게 팽윤되었습니다(그림 3). 사실, 유체역학적 입자 크기(R _h , 반경)이 시스템에서 DLS에 의해 중합이 끝날 때 감지되었습니다(추가 파일 1:그림 S4). 건조 상태에서 입자의 크기(직경, 40nm)와 비교하여(그림 2a), 하이드로겔 입자의 DLS 크기는 훨씬 더 작았으며, 이는 하이드로겔 입자가 SEM 샘플에서 수분 증발 동안 응집되어야 함을 시사합니다. 수분산액에서 투과율이 100%인 하이드로겔 입자는 크게 팽창해야 하고 건조 상태에서 입자가 각각 독립적으로 유지된다면 DLS 크기보다 훨씬 작은 크기의 입자가 예상되기 때문에 이해하기 쉽습니다. 용매가 제거될 때 고체 입자를 형성하였다. 가교된 고분자가 완전히 팽윤되어 친수성 사슬 말단이 주변의 수상으로 크게 확장되었음을 알면 친수성 사슬과 말단이 어느 정도 상호 침투해야 합니다. 이것은 전체 분산을 매우 균질하게 만들었다. 분산액의 100% 투과율은 균질성의 표시였습니다. 이러한 상황에서 하이드로겔 입자의 일부 응집은 수분 증발로 인해 예상치 못한 것이 아니었습니다. 사실 피할 수 없는 일입니다.

실온에서 1mg/mL의 다양한 농도의 물 분산에서 얻은 P(OEGDA-MAA)의 SEM 이미지(a ) 및 5mg/mL의 에탄올(b ) 및 10mg/mL(c )

다양한 pH에서 온도에 따른 P(OEGDA-MAA) 분산액(1.0mg/mL, 150mM NaCl)의 광 투과율 의존성

P(OEGDA-MAA) 상온의 에탄올 혼탁 혼합물에 대하여 동일한 방법으로 시료를 시료 지지체에 떨어뜨리고 SEM으로 형태를 관찰하여 시료를 제조하였다. 5mg/mL 농도의 시료의 경우 그림 2a와 같이 물에서 관찰된 나노입자가 사라지는 것을 확인할 수 있었다(그림 2b). 대신, 함수겔상 중합체의 응집된 과립이 나타났고, 과립의 크기는 수분산액으로부터 얻은 입자의 크기보다 현저히 컸다(Fig. 2a). 이것은 두 가지 유형의 분산에서 디웰링이 상당히 다르다는 강력한 표시입니다.

하이드로겔 중합체 사슬은 LCST 유형의 낮은 VPTT 미만의 물보다 UCST 유형의 높은 VPTT 이상의 에탄올에 더 상호 침투되었을 가능성이 높습니다. 이는 에탄올이 구조 및 친수성이 P(OEGDA-MAA)와 더 유사하기 때문에 매우 가능성이 높습니다. 실온으로 냉각함으로써, 합성에서 형성되고 이 UCST 유형의 높은 VPTT 이상으로 크게 팽창된 히드로겔 중합체의 원래 나노입자가 서로 붙어서 과립 또는 이들의 응집이 관찰되었다. 에탄올의 더 높은 농도(10mg/mL, 그림 2c)에서는 하이드로겔 중합체 사슬이 더 상호 침투하여 연속적인 하이드로겔 필름이 형성되고 무작위로 분산된 작은 과립이 존재하는 것으로 보입니다.

수중 P(OEGDA-MAA) 하이드로겔의 낮은 VPTT

위에서 합성한 이 고분자 P(OEGDA-MAA)는 열반응성이고(그림 3), 반응도 역시 pH에 밀접하게 의존했다. 33°C의 VPTT는 1mg/mL 및 pH 1.0 농도의 물에서 감지되었으며 이 VPTT는 pH 3에서 42°C의 더 높은 온도로 이동했으며, 이는 pH가 증가함에 따라 분명히 증가합니다. pH가 5로 더 증가함에 따라 폴리머는 빛 투과율의 변화를 나타내지 않았습니다. 즉, VPTT가 사라졌습니다. 이러한 관찰은 수소 이온의 존재가 히드로겔 중합체가 열반응성을 갖기 위해 필요함을 시사하는데, 이는 pH =7 또는 그 이상에서 반응성을 유지하는 카르복실산이 없는 단량체로 제조된 대부분의 OEG 기반 반응성 물질과는 상당히 다릅니다[34] . 반응성 고분자는 사슬과 물 분자 사이의 서로 다른 상호 작용에 의해 실온에서 가용화되거나 가교된 경우 팽윤되는 것으로 알려져 있습니다. 폴리머-폴리머 상호작용 [1, 2, 7, 16, 35]. 이 VPTT 아래에서는 폴리머의 친수성 부분과 물 사이의 상호 작용이 선호되고 물 분자는 폴리머 사슬 주위에 배열되어 친수성 EG 세그먼트와 수소 결합을 설정하여 선형인 경우 폴리머 가용화를 유도하고 가교될 때 팽윤되는 반면 VPTT 이상에서는 , 이러한 물-폴리머의 상호작용은 소수성 폴리머 자체 간의 상호작용 증가와 동시에 감소되어 폴리머 사슬의 탈수 및 자체 응집으로 이어집니다. 카르복시 모이어티가 없는 대부분의 OEG 기반 폴리머의 경우 사슬에 강한 수소 결합 공여체가 없지만 약한 반 데르 발스 상호 작용이 있습니다. pH에 대한 VPTT의 의존성은 비교적 온건합니다. 그러나 P(OEGDA-MAA)의 경우와 같이 고분자 사슬에 카르복실기가 결합되면 상황이 극적으로 바뀝니다. 카르복실산[1, 3]의 pKa(4.8) 미만인 낮은 pH와 결합된 저온(

이 VPTT 전환은 1 mg/mL 농도 및 pH 1.0에서 P(OEGDA-MAA)의 수성 분산액에 대한 다양한 온도(그림 4)에서 DLS에 의해 결정된 하이드로겔 입자의 크기 변화에 의해 잘 입증되었습니다. VPTT(33°C) 미만의 온도에서 매우 작은 입자가 감지되었습니다. 크기는 10°C에서 약 15nm에서 25°C에서 약 20nm로 온도 증가에 따라 느리고 지속적으로 증가했습니다. VPTT에 걸친 온도 증가와 함께 입자 크기의 급격한 증가가 감지되었으며, VPTT(33°C) 바로 위인 35°C에서 약 600nm의 입자 직경이 감지되었습니다. 온도가 VPTT를 지나면 분산된 폴리머 하이드로겔의 크기가 또 다른 느리고 점진적인 증가가 관찰되었습니다. 여기에서 감지된 크기(35°C에서 약 600nm 및 60°C에서 1100nm)는 VPTT 아래에서 얻은 크기와 비교하여 응집된 하이드로겔 입자의 크기임이 매우 분명했습니다. 그림 4는 열반응성 폴리머의 탈수가 VPTT보다 훨씬 더 일찍 시작되었음을 보여줍니다. VPTT 또는 매우 가까운 온도 범위에서 탈수가 크게 가속화되어 탈수로 인해 입자가 수축 및 응집을 촉진하고 그림 3과 같이 투과율의 급격한 감소가 감지되었습니다. 하이드로겔 입자의 크기 변화는 탈수로 인한 하이드로겔 입자의 응집이 VPTT 후에도 여전히 발생하고 있음을 나타냅니다. 이 상태에서 높은 불투명도에 비해 투과율의 감소가 매우 작았기 때문에 단순히 빛 투과율로 감지할 수 없었습니다.

다른 온도에서 수성 분산액(1 mg/mL, pH 1.0)에서 열반응성 P(OEGDA-MAA) 하이드로겔의 직경

그림 3과 같이 pH에 대한 반응성 의존성 외에도 재료의 열 반응성 거동은 이온 강도, 농도, 가열/냉각 속도와도 밀접한 관련이 있습니다. OEG 기반 폴리머의 VPTT는 농도에 다소 둔감하다는 것이 여러 저자에 의해 밝혀졌습니다[14, 37]. 그러나 Wu et al. 2-(2-메톡시에톡시)에틸 메타크릴레이트와 올리고(에틸렌 글리콜) 메틸 에테르 메타크릴레이트의 공중합체에 대한 연구에서 보고된 바에 따르면 약간의 차이가 관찰되었으며 다른 연구보다 더 높은 농도(10wt%)에 기인한다고 가정합니다. [16]. 폴리머 농도가 VPTT에 미치는 영향을 간단히 조사했으며 농도는 1.0~5.0mg/mL로 다양했습니다(추가 파일 1:그림 S5 참조). 1.0mg/mL 농도의 하이드로겔에 대해 33°C에서 관찰된 VPTT와 비교하여 VPTT는 2.0mg/mL 농도에서 29°C의 더 낮은 온도로 이동했으며 추가로 농도를 5.0mg/mL로 증가시키면서 약 27°C의 더 낮은 온도. 이것은 단순히 공중합체의 농도 효과 때문입니다. 현재 가열 과정에서 VPTT보다 훨씬 아래에서 폴리머 사슬의 전체 또는 대부분은 분산에서 독립적으로 크게 팽창했습니다. VPTT 주변에서 그들은 응집되기 시작했고 VPTT 후에는 모든 폴리머가 응집되어 용매(이 경우 물)에서 폴리머의 불균질한 현탁액을 형성하여 0%의 빛 투과율을 초래했습니다. VPTT는 폴리머 사슬이 대량으로 응집되기 시작하는 시점을 나타냅니다. 고분자 사슬은 서로 만나 고농도의 분산액으로 응집하기 쉽고, 희석 분산액과 동등한 투과율 감소를 얻으려면 더 짧은 시간이 필요하다고 생각하기 쉽습니다.

에탄올 중 P(OEGDA-MAA) 하이드로겔의 VPTT

LCST 유형의 VPTT와 대조적으로 UCST 또는 UCST 유형 VPTT가 있는 고분자에 대한 연구는 훨씬 적은 범위로 보고되었습니다[38]. 폴리설포베타인 [39] 및 폴리(N -acrylolyglyciamide) [40,41,42]는 물에서 UCST가 있는 것으로 보고된 중합체인 반면, 폴리아크릴아미드 [43] 및 폴리(아세토아세톡시에틸 메타크릴레이트) [44]는 이원 에탄올/물 용매 혼합물에서 UCST를 나타내는 것으로 보고되었습니다. Roth et al. 폴리[올리고(에틸렌 글리콜) 메틸 에테르 메타크릴레이트](POEGMA)는 다양한 지방족 알코올에서 UCST를 나타내며 UCST 상전이 온도는 다음과 같이 POEGMA의 구조, 분자량 및 농도에 따라 달라집니다. 뿐만 아니라 용매, 공용매 [45]. P(NIPAM)은 또한 에탄올/물 혼합물에서 UCST 거동을 나타내는 것으로 보고되었습니다[46].

수중에서 LCST-type VPTT에 대한 시험과 달리 이 물질의 UCST-type VPTT에 대한 연구는 에탄올에서 수행되었다. 투과율은 각 온도에서 5분의 평형 시간으로 70°C에서 15°C로 기록되었습니다(그림 5). 온도가 70°C 이상일 때 하이드로겔-에탄올 분산액은 균질하고 투명했으며 투과율이 30mg/mL인 최고 농도의 샘플을 제외한 모든 샘플의 투과율은 100%였습니다. 약 95%. 우리는 100% 투과율이 평형 시간을 연장하면 도달할 것이라고 믿습니다. 이 높은 투과율은 하이드로겔 폴리머가 크게 부풀어올랐고 분산액이 실제 용액처럼 보였다는 표시입니다. 온도가 감소함에 따라 모든 샘플에서 투과율의 감소가 관찰되었으며 농도와 분명히 관련이 있습니다. 온도가 60°C로 감소함에 따라 농도가 더 낮은 두 샘플(1 및 2mg/mL)의 투과율은 100%로 유지되었으며 온도가 60°C 미만으로 내려간 경우에만 투과율의 식별 가능한 감소가 관찰된 반면, 농도가 더 높은 3개의 샘플(5, 10, 30mg/mL)에서 70°C부터 투과율의 명백한 감소가 감지되었으며 농도가 높은 샘플에서 감소가 더 두드러졌습니다. 60°C에서 샘플의 투과율은 낮은 농도에서 높은 농도 순으로 각각 87, 80 및 70%로 떨어졌습니다. 이는 수중에서 낮은 VPTT에서 관찰된 것과 정확히 동일하며 농도 효과로 쉽게 이해할 수 있습니다. 유일한 차이점은 여기에서는 물 대신 에탄올과 관련이 있으며 온도를 낮추면 하이드로겔 폴리머의 분자 내 및 분자간 상호 작용이 더 중요해지며 이러한 상호 작용이 폴리머와 에탄올 간의 상호 작용을 능가한다는 것입니다. VPTT 이상에서 고분자 사슬과 결합된 에탄올 분자는 온도가 낮아지면 점차적으로 해리되고, 온도가 VPTT에 가까울수록 고분자 사슬이 자기 응집하기 시작하여 그림 5와 같이 광투과율이 감소하게 된다.

농도가 다른 에탄올에서 P(OEGDA-MAA)의 투과율. 삽입된 이미지는 각각 25°C 및 60°C에서 에탄올(1mg/mL) 내 하이드로겔의 광학 이미지입니다.

상 전환 메커니즘

이 UCST 유형 VPTT의 메커니즘을 더 잘 이해하기 위해 1mg/mL 농도의 하이드로겔 입자 크기를 LCST 유형 VPTT에 대해 수행된 것과 정확히 동일한 DLS를 사용하여 다른 온도(시간)에서 냉각 과정에서 측정했습니다. 결과는 그림 6에 나와 있습니다. 반경이 약 8nm인 매우 작은 입자 크기(R _h ), 샘플이 균질하고 투명해 보였지만 60°C에서 얻어졌습니다. 하이드로겔 입자의 작은 크기는 10°C(직경 15nm, 그림 4)에서 낮은 VPTT 미만의 수중 나노겔 크기와 일치했으며, 이는 가교된 하이드로겔이 이러한 낮은 농도에서 분자 수준에서 개별적으로 용해되고 친수성 사슬 말단(주로 카르복실기)이 주변 용매를 향해 완전히 확장되는 것과 같은 상태; 전체 시스템은 실제로 균질했고 완전히 투명해 보였습니다. 사용된 MAA의 양(60mol%)과 물에 대한 높은 용해도를 감안할 때 일부 사슬 세그먼트, 특히 MAA로만 구성된 사슬 말단이 폴리머에 잘 존재했음을 배제할 수 없습니다. 이러한 사슬 말단은 완전히 팽윤된 상태에서 주변 용매 쪽으로 가장 많이 노출될 것입니다. 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