オリゴ（エチレングリコール）ジアクリレート-メタクリル酸の熱応答性ポリマーナノゲルの調製とそれらの特性の特性化

背景

刺激応答性ポリマーは、物理化学的特性を大幅に変化させて外部刺激に応答することができます[1,2,3]。この応答性のおかげで、アクチュエータ、ドラッグデリバリー、遺伝子導入、材料分離など、さまざまなアプリケーションが開発されています[4、5、6、7]。温度、pH、イオン強度、電界、超音波などの一般的な外部刺激の中で、温度変化に反応するポリマー、つまり感熱性ポリマーは、何十年にもわたって大きな注目を集めてきました[1,2,3,4,5,6、そのうち、非架橋可溶性ポリマーの場合、体積相転移温度（VPTT）またはより低い臨界溶液温度（LCST）のポリマーが、これまでで最も広く研究されてきました。これは特にP（ N -イソプロピルアクリルアミド）、PNIPAM、人体温度に近い約32°Cの水中でのVPTTにより、潜在的な生物医学的用途について広く研究されている感熱性ポリマー[2、9、10、11、12]。

PNIPAMベースの材料は、識別可能なヒステリシスを持ち、タンパク質との強い水素結合相互作用を持ち、加水分解中に低分子量アミンを生成することは広く認められています。これらの特性はすべて、バイオテクノロジー分野での用途を制限しています[13]。最近、熱応答性を備えたオリゴ（エチレングリコール）（OEG）に基づく新しいポリマーファミリー（PEG）が開発されました[14、15、16、17]。ただし、水中のPEGは高温および高圧下でのみ熱応答性であるため[18]、多くの用途にPEGは不適切です。温度応答性材料としての用途を広げるために、一般的な方法は、OEG末端の一方または両方に官能基を結合させ、OEGマクロモノマーを作成します。これは、たとえばアニオン性[19]、カチオン性[20]などのさまざまなプロセスで重合されます。 、基移動重合[21、22];従来のフリーラジカル重合[23]; ATRP [24]、RAFT [25、26]、NMP [27]などのさまざまなフリーラジカルベースのリビング重合。および他の多様な重合プロセス[28、29]。 OEGベースのポリマーのVPTTまたはLCSTは、分子量、構造、EGセグメントの長さなどの構造を変更するために、合成の実験条件を変更することで調整できることが今ではよく知られています。コモノマーの比率と構造、および末端基の性質。これらはすべて、最近のレビュー[1,17]でよく示されています。

OEGベースの応答性ポリマーに関する報告された研究の絶対的な大部分が、（メタ）アクリレートで官能化されたOEGモノマーの一端で調製され、他端がエーテルで終端されていることは注目に値します。したがって、このように調製されたポリマーは、ペンダント基としてＯＥＧ鎖を有する（メタ）アクリルセグメントの骨格からなり、これにより、ＯＥＧポリマーは櫛状の鎖となる。これまでに報告されているOEGベースのポリマーのもう1つの一般的な特徴は、これらのポリマーが主に1つのOEGマクロモノマーの重合[19]、またはOEGの長さや構造が異なる2つ以上のOEGマクロモノマーの共重合によって調製されていることです[14,15、 16]、どちらの場合も架橋されていません。この背景とは対照的に、新しいタイプのOEGベースのポリマーであるP（OEGDA-MAA）は、オリゴ（エチレングリコール）ジアクリレート（OEGDA）とメタクリル酸（MAA）の共重合により、この研究で調製されます。水。したがって、このように形成されたポリマーは、ジアクリレート構造のために架橋され、一般に報告されているLCSTタイプの相転移と同様の水中のVPTTと熱応答性であることが示されますが、エタノールでは、このポリマーはUCSTタイプのVPTTを示します。両方のVPTTは濃度に密接に依存しています。これらの相転移は、異なる濃度での分散液中のポリマー組成と形態に関して特徴づけられます。したがって、この研究は、特に生物医学分野において、さまざまな用途に大きな可能性を秘めた新しいタイプの刺激応答性ポリマーを提供します。

メソッド

資料

オリゴ（エチレングリコール）ジアクリレート（OEGDA、Mn =575）はアラジン（上海、中国）から購入しました。メタクリル酸（MAA）は、Tianjin Guangcheng Chemicals（Tianjin、China）から入手し、塩基性Al ₂ を通過させることで阻害剤を除去しました。 O ₃ （Sinopharm Chemical Regent Co. Ltd.、上海、中国）。過硫酸アンモニウム（APS）は、Tianjin Hedong Hongyan Chemicals（Tianjin、China）から供給されました。透析バッグ（MWCO 3500）は、Union Carbide Corporation（上海、中国）から入手しました。

P（OEGDA-MAA）の準備

OEGDAとMAAの共重合体であるP（OEGDA-MAA）は、水中での沈殿重合によって調製されました。典型的なプロセスでは、MAA（0.1834 g、2.11 mmol）とOEGDA（0.8166 g、1.43 mmol、OEGDA / MAA =40/60のモル比）を、1のガラスフラスコにあらかじめ配置された500mLの脱イオン水に加えました。 L容量。窒素をパージして酸素を除去した後、APS溶液（10 wt％、300μL）を追加しました。フラスコをすばやく密閉し、70°Cの水浴に入れて、通常4時間重合を開始しました。ボトル内の透明な内容物は、開始後すぐに濁り、ポリマーの沈殿を示しています。重合の終わりに、反応系は室温まで冷却され、濁ったエマルジョンのような混合物は透明なポリマー分散液に変わり、これに対して、pHが1.0の一定量のNaCl溶液（2 M）が事前に塩酸を使用して調整し、加えた。 NaCl溶液の添加によりポリマーの沈殿が引き起こされ、10,000 rpmでの遠心分離によって収集され、水に再分散され、最後に室温で72時間脱イオン水に対して透析されてNaClが除去されました。

特性評価

¹ ポリマーのHNMR分析は、ジメチルスルホキシド- d を使用して400MHz NMR分光計（Avance III、ブルカー、スイス）で実施しました。 ₆ （DMSO- d ₆ ）溶媒として。乾燥したポリマーの形態を、走査型電子顕微鏡（SEM、FEI Quanta Feg-250、米国）を使用して観察した。ポリマーのOEGDA含有量は、前述のように電位差滴定を使用して決定しました[30]。脱イオン水（1.0 mg / mL）中のポリマーの分散液を、約0.1 Mの校正済みNaOH溶液でpH11.5に滴定しました。分散液のpHを測定し、pHメーター（Metrohm 808 Titrandio、スイス）で記録しました。等量点を使用して、コポリマー中のMAA含有量を決定した。胃分散液（pH =1.0、150 mM NaCl）中のP（OEGDA-MAA）のVPTTは、前述のように測定されました[30]。エタノール分散液中のP（OEGDA-MAA）のVPTTは、分光光度計（UV3101PC、島津製作所、日本）を使用して565nmの光による分散液の透過率を追跡することによって決定されました。ポリマー分散液を最初に転移温度を超えて70°Cに加熱し、5分間平衡化した後、5°Cの間隔で65から10°Cに冷却し、各温度で5分の平衡時間を設定しました。 。透過率対温度を記録し、最大透過率の50％に達した温度をVPTTとしました。エタノールおよび水中のP（OEGDA-MAA）ヒドロゲルのサイズとサイズ分布は、動的光散乱法（DLS、Nano-ZS、Malvern Instruments、英国）によって測定されました。

結果と考察

P（OEGDA-MAA）の組成分析

報告されている多様なOEGベースの温度応答性ポリマーの調製物では、OEGマクロモノマーの大部分が一方の末端でのみ官能化されており、そのほとんどがメタクリレートが末端基として使用されているのに対し、低分子のコモノマーは注目に値します。重量、さまざまな（メタ）アクリレートおよびアクリルアミドが使用され、MAAはめったに使用されません[3、13、14、15、16、17]。新しいタイプのOEGベースの温度応答性ポリマーを調製するために、両方の末端がアクリレート（OEGDA）で官能化された新しいタイプのOEGを、これもめったに使用されないモノマーであるMAAと水中で共重合させました（追加ファイル1：図S1を参照）。重合はモルで40％のOEGDAを用いて行われた。得られたP（OEGDA-MAA）の組成を ¹ で分析した。 H NMR（図1）。ピークの割り当ては、使用されたモノマーの割り当て（追加ファイル1：図S2を参照）と、同様の構造を持つ報告されたポリマーに基づいて実行されました[31]。 1.2 ppm以下の化学シフトのピークのグループは、ポリマーのMAAユニットのメチルプロトンに割り当てられました。 2.0 ppmの大きくて鋭いピークは、MAAとアクリルセグメントで構成される主鎖のプロトンに割り当てられ、3.2〜3.9 ppmに現れる大きなピークのグループは、主鎖のエチレンのプロトンに割り当てられました。 MAAのカルボキシルプロトン（Ha）とアクリレートユニットに直接隣接するオキシエチレンエステルプロトン（Hb）に起因する12.35および4.11 ppmの化学シフト（図1）の特徴的なピークを使用して、共重合体。 P（OEGDA-MAA）共重合体のOEGDA含有量は式（1）で計算されました。 1：

¹ P（OEGDA-MAA）のHNMRスペクトル

ここで S _a は、カルボン酸プロトンと S を表す12.35ppmのピークの積分表面積です。 _b 4.11ppmのピークの値です[30]。したがって、コポリマー中のOEGDA含有量は40.9 mol％であることが得られました。これと同じOEGDA含有量は、電位差滴定によっても推定され（追加ファイル1：図S3を参照）、OEGDA含有量は38.8 mol％でした。ポリマーの調製に使用したモノマーの比率（OEGDAの40 mol％）と比較すると、OEGDAとMAAの2つのモノマーは完全に共重合していると結論付けることができます。

P（OEGDA-MAA）の形態

P（OEGDA-MAA）の水性分散液を調製するために、既知量の乾燥ポリマーヒドロゲルを一定量の水に室温で分散させました。これにより、バイアルを手で振るだけで透明な溶液のような分散液が得られました。水中のポリマーのVPTT（以下、低VPTTと呼びます）の下で行われました。 P（OEGDA-MAA）をエタノールに分散させるために、既知量のポリマーをスクリューキャップガラス瓶内の既知量のエタノールに添加し、マグネチックスターラーで70°Cの水浴にあらかじめ配置しました。穏やかに攪拌すると、ポリマー濃度に応じて、30分から1時間以内に準透明な分散液が形成されました。ポリマー濃度が異なるエタノール中のすべての分散液について、ポリマーの平衡膨潤を得るために70°Cで1時間加熱し続けた後、室温まで冷却すると、準透明な分散液が濁りました。この室温はエタノール中のポリマーのVPTTをはるかに下回っていたためです。ポリマーの透明な水性分散液およびエタノール中の濁った懸濁液を取り出し、SEMによる形態観察のためにサンプル支持体上に滴下した。選択した画像を図2に示します。水性分散液（1.0 mg / mL、図2a）から調製したサンプルでは、​​数平均直径が約40nmのナノサイズのヒドロゲル粒子がはっきりと観察されたことがわかります。 ）。重合が70°Cで行われたことは注目に値します。これは、ポリマー粒子が形成されたポリマーの低VPTTを大幅に上回る温度です。形成されたポリマーは水溶性ではありませんでしたが、主にエトキシレートとメタクリル酸で構成されていることから、親水性が高い必要があります。これを考慮すると、ポリマーは重合の後の段階で沈殿することが考えられます。これは、開始後約30分で透明な溶液が濁り、従来の沈殿重合よりもはるかに長い時間であることが観察されたためです[32、 33]。さらに、モノマー濃度は非常に低く（0.2 wt％）、形成されたポリマーP（OEGDA-MAA）は架橋されていました。これらすべてを組み合わせると、乾燥状態で約40 nmの非常に小さいサイズのナノゲル粒子の形成は、驚くべきことではありませんでした。水中の室温で、重合の終わりに重合システムを冷却するか、または乾燥したポリマーを水中に再分散させることによって、これらのヒドロゲル粒子は、ポリマーが架橋されたため、分子レベルで真に溶解しないと考えられ、代わりに重合システムが100％の透過率を持つ真のポリマー溶液のように見えるほど、水によって大きく膨潤しました（図3）。実際、流体力学的粒子サイズ（ R _h 、半径）約12 nmが、DLSによる重合の最後にこのシステムで検出されました（追加ファイル1：図S4）。乾燥状態での粒子のサイズ（直径、40 nm）と比較して（図2a）、ヒドロゲル粒子のDLSサイズはさらに小さく、これは、ヒドロゲル粒子がSEMサンプルの水分蒸発中に凝集したに違いないことを示唆しています。これは理解しやすいです。なぜなら、水性分散液で透過率が100％のヒドロゲル粒子は大きく膨潤する必要があり、それぞれが独立していると、DLSサイズよりもはるかに小さいサイズの粒子が予想されたからです。溶媒を除去すると固体粒子が形成されました。架橋ポリマーが完全に膨潤しており、親水性の鎖の末端が周囲の水相に大きく伸びていることを知っているので、親水性の鎖と末端はある程度相互に浸透しているはずです。これにより、分散全体が非常に均一になりました。分散液の100％透過率は、均一性を示していました。この状況下では、ヒドロゲル粒子の凝集は水の蒸発によって予想外ではありませんでした。実際には避けられないはずです。

1 mg / mL（ a ）の水中でさまざまな濃度で室温で分散させて得られたP（OEGDA-MAA）のSEM画像 ）およびエタノール中5 mg / mL（ b ）および10 mg / mL（ c ）

P（OEGDA-MAA）分散液（1.0 mg / mL、150 mM NaCl）の光透過率のさまざまなpHでの温度依存性

室温でのエタノール中のP（OEGDA-MAA）の混濁混合物については、サンプルをサンプル支持体に滴下し、SEMで観察された形態を用いて、同じ方法でサンプルを調製した。 5 mg / mLの濃度のサンプルでは、​​図2aに示すように水中で観察されたナノ粒子が消失していることがわかりました（図2b）。代わりに、ヒドロゲルポリマーの凝集した顆粒が現れ、顆粒のサイズは、水分散液から得られた粒子のサイズよりも大幅に大きかった（図2a）。これは、2種類の分散液で脱膨潤がまったく異なっていたことを強く示しています。

ヒドロゲルポリマー鎖は、LCSTタイプの低VPTTより下の水中よりも、UCSTタイプの高VPTTより上でエタノールに相互浸透した可能性が最も高いです。エタノールは構造と親水性においてP（OEGDA-MAA）に類似しているため、これは非常に可能性が高いです。室温まで冷却することにより、合成時に形成され、このUCSTタイプの高VPTTの上で大きく膨潤したヒドロゲルポリマーの元のナノ粒子がくっついて、顆粒またはそれらの凝集が観察されました。エタノール中のより高い濃度（10 mg / mL、図2c）では、ヒドロゲルポリマー鎖がさらに相互に浸透し、ランダムに分散した小さな顆粒が存在する連続的なヒドロゲルフィルムが形成されたようです。

水中のP（OEGDA-MAA）ヒドロゲルの低VPTT

このポリマー、上記で合成されたP（OEGDA-MAA）は、熱応答性であり（図3）、応答性もpHに密接に依存していました。 33°CのVPTTが1mg / mLの濃度とpH1.0の水中で検出され、このVPTTはpH 3で42°Cの高温にシフトし、pHの上昇とともに明らかに増加しました。 pHをさらに5に上げると、ポリマーは光透過率に変化を示さなかった、つまりVPTTが消えた。これらの観察結果は、ヒドロゲルポリマーが熱応答性であるためには水素イオンの存在が必要であり、pH =7以上で応答性を維持するカルボン酸を含まないモノマーで調製されたほとんどのOEGベースの応答性材料とはまったく異なることを示唆しています[34]。 。応答性ポリマーは、それらの鎖と水分子との間の異なる相互作用によって、室温で可溶化されるか、または架橋されると膨潤することが知られている。すなわち、それらのVPTT挙動は、親水性ポリマー-水相互作用と疎水性との間の競合の結果と見なすことができる。ポリマー-ポリマー相互作用[1、2、7、16、35]。このVPTTの下では、ポリマーの親水性部分と水との相互作用が促進され、水分子がポリマー鎖の周りに配置され、親水性EGセグメントとの水素結合が確立され、線形の場合はポリマーの可溶化が起こり、VPTTの上では架橋すると膨潤します。 、水-ポリマーのこの相互作用は、親水性ポリマー自体の間の相互作用の増加と同期して減少し、ポリマー鎖の脱水およびそれらの自己凝集をもたらす。カルボン酸部分のないほとんどのOEGベースのポリマーでは、鎖に強い水素結合供与体はありませんが、ファンデルワールス相互作用は弱いです。 VPTTのpHへの依存性は比較的穏やかです。しかし、P（OEGDA-MAA）の場合のように、カルボキシル基がポリマー鎖に組み込まれると、状況は劇的に変化します。低温（

このVPTT遷移は、1 mg / mLおよびpH1.0の濃度のP（OEGDA-MAA）の水性分散液上で、さまざまな温度でDLSによって決定されたヒドロゲル粒子のサイズ変化によって十分に実証されました（図4）。 VPTT（33°C）未満の温度では、非常に小さな粒子が検出されました。サイズは、温度の上昇とともにゆっくりと連続的に増加し、10°Cで約15nmから25°Cで約20nmになりました。粒子サイズの急激な増加は、VPTT全体の温度上昇とともに検出され、粒子の直径は、VPTTのすぐ上（33°C）の35°Cで検出されました。温度がVPTTを超えると、分散したポリマーヒドロゲルのサイズがゆっくりと徐々に増加することが観察されました。ここで検出されたサイズ（35°Cで約600 nm、60°Cで1100 nm）が、VPTTの下で得られたサイズと比較して、凝集したヒドロゲル粒子のサイズであることは非常に明白でした。図4は、温度応答性ポリマーの脱水がVPTTのはるか前に始まったことを示しています。図3に示すように、脱水が大幅に加速され、脱水によって粒子が収縮して凝集し、透過率の急激な低下が検出されたのは、VPTTまたはそれに非常に近い温度範囲でした。ヒドロゲル粒子のサイズの変化は、脱水によって引き起こされたヒドロゲル粒子の凝集が、VPTT後もまだ発達していることも示した。この状態での高い不透明度と比較して、透過率の低下はごくわずかであったため、光の透過率だけでは検出できませんでした。

異なる温度での水性分散液（1 mg / mL、pH 1.0）中の温度応答性P（OEGDA-MAA）ヒドロゲルの直径

図3に示すように、pHに対する応答性の依存性に加えて、材料の熱応答性の挙動は、イオン強度、濃度、および加熱/冷却の速度にも密接に関連しています。 OEGベースのポリマーのVPTTは濃度にかなり鈍感であることがさまざまな著者によって示されています[14、37]。ただし、Wu etal。報告によると、2-（2-メトキシエトキシ）エチルメタクリレートとオリゴ（エチレングリコール）メチルエーテルメタクリレートの共重合体に関する研究では、わずかな違いが観察され、他の研究よりも高濃度（10 wt％）に起因すると考えられます。 [16]。ポリマー濃度がVPTTに及ぼす影響を簡単に調査し、濃度を1.0〜5.0 mg / mLの範囲で変化させました（追加ファイル1：図S5を参照）。 1.0 mg / mLの濃度のヒドロゲルについて33°Cで観察されたVPTTと比較して、VPTTは2.0 mg / mLの濃度で29°Cのより低い温度にシフトし、さらに濃度を5.0mg / mLに上げて、約27°Cの低温にします。これは単に共重合体の濃縮効果によるものです。現在の加熱プロセスでは、VPTTのはるか下で、ポリマー鎖のすべてまたはほとんどが独立して、分散液中で大きく膨潤していました。 VPTTの周りで、それらは凝集し始め、VPTTの後、すべてのポリマーが凝集して、溶媒（この場合は水）中のポリマーの不均一な懸濁液を形成し、0％の光透過率をもたらしました。 VPTTは、ポリマー鎖が大量に凝集し始める時点を示します。ポリマー鎖が互いに遭遇しやすく、高濃度の分散液に凝集することは容易に想像できます。また、希薄分散液と同等の透過率の低下を得るには、より短い時間が必要です。

エタノール中のP（OEGDA-MAA）ヒドロゲルのVPTT

LCSTタイプのVPTTとは対照的に、UCSTまたはUCSTタイプのVPTTを使用したポリマーに関する研究は、はるかに少ない程度で報告されています[38]。ポリスルホベタイン[39]およびポリ（ N -アクリロリグリシアミド）[40,41,42]は、水中でUCSTを伴うと報告されているポリマーですが、ポリアクリルアミド[43]およびポリ（アセトアセトキシエチルメタクリレート）[44]は、エタノールと水溶媒の二成分混合物でUCSTを示すと報告されています。 Roth etal。ポリ[オリゴ（エチレングリコール）メチルエーテルメタクリレート]（POEGMA）は、多種多様な脂肪族アルコールでUCSTを示し、UCST相転移温度は、構造、分子量、およびPOEGMAの濃度に依存することを示しました。溶媒と同様に、共溶媒[45]。 P（NIPAM）は、エタノール/水混合物でUCSTの挙動を示すことも報告されています[46]。

水中でのLCSTタイプのVPTTのテストとは異なり、この材料のUCSTタイプのVPTTの研究はエタノールで行われました。透過率は70°Cから15°Cまで記録され、平衡時間は各温度で5分でした（図5）。温度が70°C以上の場合、ヒドロゲル-エタノール分散液は均一で透明であり、透過率が30 mg / mLの最高濃度のサンプルを除くすべてのサンプルで100％の透過率でした。約95％。平衡時間を延長すると、100％の透過率に達すると考えられます。この高い透過率は、ヒドロゲルポリマーが大きく膨潤しており、分散液が本物の溶液のように見えたことを示しています。温度が下がると、透過率の低下がすべてのサンプルで観察され、明らかに濃度に関連していました。温度が60°Cに下がると、透過率は低濃度（1および2 mg / mL）の2つのサンプルで100％のままであり、透過率の識別可能な低下は、温度が60°Cを下回った場合にのみ観察されました。高濃度（5、10、および30 mg / mL）の3つのサンプルでは、​​70°Cから透過率の明らかな低下が検出され、高濃度のサンプルではその低下がより顕著でした。 60°Cでは、サンプルの透過率は、濃度が低いものから高いものの順に、それぞれ87、80、70％に低下しました。これは、水中の低VPTTで観察されたものとまったく同じであり、濃度効果によって容易に理解できます。唯一の違いは、ここでは水ではなくエタノールに関係しており、温度を下げることにより、ヒドロゲルポリマーの分子内および分子間相互作用がより重要になり、これらの相互作用がポリマーとエタノールの間の相互作用を上回ったことです。 VPTTより上のポリマー鎖に結合しているエタノール分子は、温度が下がると徐々に解離し、温度がVPTTに近づくとポリマー鎖が自己凝集し始め、図5に示すように光透​​過率が低下します。

異なる濃度のエタノール中のP（OEGDA-MAA）の透過率。挿入図は、それぞれ25°Cと60°Cでのエタノール（1 mg / mL）中のヒドロゲルの光学画像です

相転移メカニズム

このUCSTタイプのVPTTのメカニズムをよりよく理解するために、1 mg / mL濃度のヒドロゲル粒子のサイズを、LCSTタイプのVPTTの場合とまったく同じように、DLSを使用してさまざまな温度（時間）での冷却プロセスで測定しました。結果を図6に示します。半径が約8nmの非常に小さい粒子サイズ（ R _h ）、サンプルは均質で透明に見えましたが、60°Cで得られました。ヒドロゲル粒子のサイズが小さいことは、水中のナノゲルのサイズと一致しており、10°Cでの低いVPTT（直径15 nm、図4）を下回っています。これは、架橋ヒドロゲルが大きく膨潤したことを示している可能性があります。このような低濃度で分子レベルで個別に溶解し、親水性の鎖末端（主にカルボキシル基）が周囲の溶媒に向かって完全に伸びているような状態。システム全体は確かに均質で、完全に透明に見えました。使用されるMAAの量（60 mol％）とその水への高い溶解度を考えると、一部の鎖セグメント、特にMAAのみで構成される鎖末端がポリマーに十分に存在することを排除するものではありません。 These chain ends would be the most exposed towards the surrounding solvent in their fully swelled state, i.e., towards water below the LCST-type VPTT and towards ethanol above the UCST-type VPTT. 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

結論

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.

略語

APS:

Ammonium persulfate

ATRP:

Atom transfer radical polymerization

DLS：

動的光散乱

EG：

エチレングリコール

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：

ポリ（エチレングリコール）

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