Einfluss der Verteilung hydrophiler Monomere auf die Selbstassemblierung eines pH-responsiven Copolymers: Kugeln, Würmer und Vesikel aus einer einzigen Copolymerkomposition

Einleitung

Natürliche Polymere bilden häufig selbstassemblierte Strukturen, was ihnen in vielen Fällen eine besondere Funktion verleiht. Hierbei ist zu erwähnen, dass in der Natur eine bemerkenswerte Vielzahl von Strukturen mit einer nur sehr eingeschränkten Auswahl an Monomeren erreicht wird. Die natürliche Bibliothek der Proteine besteht nur aus 20 bis 22 Aminosäuren.¹ Die Anordnung der Monomere sowie deren individuelle Eigenschaften bestimmen die finale Struktur und die Eigenschaften des Polymers und ermöglichen es ihm, eine funktionale Rolle zu übernehmen, welche von einer Strukturstärkung bis zu genau gesteuerten Katalysen reichen kann.

Im Bereich der synthetischen Polymere steht dagegen eine große Auswahl an Monomeren zur Verfügung. Während es durch neue Polymerisationsansätze möglich ist, die Kontrolle über die Molmassenverteilung von Polymeren zu verbessern,² bleibt eine Kontrolle der entsprechenden Monomeranordnung begrenzt.³ Das Beispiel der Natur legt jedoch nahe, dass selbst eine eingeschränkte Kontrolle der Monomereinheiten ausreichend sein könnte, eine breitgefächerte Auswahl von Eigenschaften von Copolymeren mit kontrollierten Zusammensetzungsprofilen zu erhalten, die aus einer relativ kleinen Bibliothek von Monomeren bestehen.

Amphiphile Copolymere, die ionisierbare Gruppen wie Carbonsäuren und Amine enthalten, bilden als Reaktion auf Veränderung des pH-Werts eine Vielzahl von selbstassemblierten Strukturen.^4-6 Übergänge von unimeren Lösungen zu kugelförmigen Mizellen treten dabei häufig auf,^{7, 8} während bei sorgsamer Kontrolle des hydrophil-hydrophoben Gleichgewichts des Copolymers auch Übergänge von kugelförmigen Mizellen zu wurmartigen Mizellen^9-11 und/oder Vesikeln^12-15 beobachtet werden können.

Die meisten Studien zu pH-responsiven Polymeren haben sich auf Blockcopolymere konzentriert, die zwei oder mehr Homopolymersegmente besitzen. Dabei führt das Vorhandensein eines stark hydrophoben Segments häufig zur Bildung von kinetisch gehemmten Strukturen, die wenn überhaupt nur langsam auf Änderungen ihrer Umgebung reagieren.¹⁶ Strukturen, die abhängig von ihrer Umgebung verschiedene Morphologien annehmen können, sind relativ selten und wurden größtenteils mit schwach hydrophoben Monomeren wie Hydroxypropylmethacrylat erhalten.^{5, 9-11, 15}

In jüngerer Zeit wurde gezeigt, dass amphiphile Copolymere, die gemischte Segmente enthalten (z. B. Gradienten-Copolymere und Blockcopolymere mit hydrophilen Monomeren, die in das hydrophobe Segment eingebaut sind), Selbstassemblierungen ausbilden können, die dynamisch auf Änderungen ihrer Umgebung reagieren.^{17, 18} Assemblierte Gradienten-Copolymere können reversible Änderungen der Größe^{7, 19, 20} oder der Form^{20, 21} als Reaktion auf Änderungen der Lösungsmittelqualität zeigen. Diblock- und Triblock-Copolymere, die hydrophile Polyacrylsäure-Segmente und hydrophobe Poly(acrylsäure-ran-butylacrylat)-^22-24 oder Poly(acrylsäure-ran-styrol)-^25-27 Segmente enthalten, zeigen reversible Änderungen ihrer Form und Größe über einen breiten pH-Wert-Bereich. Auch Copolymere mit komplexeren Zusammensetzungsprofilen, die hydrophile Homopolymersegmente und mäßig hydrophobe Gradienten-Copolymersegmente enthalten, können eine reversible Selbstassemblierung als Reaktion auf Änderungen der Temperatur^28-30 oder des pH-Werts^{8, 29} zeigen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Einbau hydrophiler Gruppen in das hydrophobe Segment eines amphiphilen Copolymers einen signifikanten Einfluss auf das Selbstassemblierungsverhalten haben kann. Der Einfluss der Verteilung dieser hydrophilen Gruppen, ob ungeordnet in einem einzelnen Segment verteilt, asymmetrisch in einem Gradienten der sich über die Polymerkette erstreckt oder als Teil eines komplexeren Zusammensetzungsprofils, bleibt jedoch unklar.

Wir zeigen hier, dass ein einzelnes Copolymer, das zu gleichen Teilen aus n-Butylacrylat (BA) und Acrylsäure (AA) besteht und eine kontrollierte räumliche Verteilung der Acrylsäuregruppen aufweist, in der Lage ist, als Reaktion auf Veränderung des pH-Werts kugelförmige Mizellen, wurmartige Mizellen und Vesikel zu bilden. Im Allgemeinen bilden 1:1-AA-BA-Copolymere mit asymmetrischen oder gradientenartigen Verteilungen von AA eine dynamische Selbstassemblierung für einen pH-Wert ≥5, welche sich als Reaktion auf Änderungen des pH-Werts einstellt. Dies steht im Gegensatz zu den kinetisch gehemmten Assemblierungen, die aus dem Blockcopolymer Poly(AA-block-BA) gebildet werden, das zwei Homopolymersegmente umfasst. Diese Ergebnisse zeigen den Einfluss der räumlichen Verteilung von hydrophilen und hydrophoben Gruppen in amphiphilen, stimuli-responsiven Copolymeren in Bezug auf die Größe und Morphologie ihrer Selbstassemblierungen sowie auf ihre dynamische Reaktion auf Veränderungen in ihren Umgebungsbedingungen.

Ergebnisse und Diskussion

Präkursor-Polymere wurden aus tert-Butylacrylat (tBA) und BA durch RAFT-Polymerisation (reversible Additions-Fragmentierungs-Kettenübertragungspolymerisation) synthetisiert (Schema 1). Diese Monomere zeigten nahezu identische Reaktivitäten, die innerhalb eines breiten Zusammensetzungsbereiches zur Ausbildung von statistischen Copolymeren ohne Zusammensetzungsdrift führten (siehe Hintergrundinformationen, Abbildung S1).

Es wurde die Herstellung von vier Zusammensetzungsprofilen angestrebt, die jeweils 50 Mol-% BA und 50 Mol-% tBA enthielten (Abbildung 1): ein Poly(tBA-block-BA)-Blockcopolymer (B); ein Poly(tBA-grad-BA)-Gradientencopolymer (G) mit nominell linearem Zusammensetzungsprofil; ein asymmetrisches Diblockcopolymer (D), bestehend aus zwei Poly(tBA-ran-BA)-Blöcken mit einem gleichermaßen angestrebten zahlenmittleren Polymerisationsgrad (DP_n) von 16 Mol-% bzw. 84 Mol-% tBA; und ein asymmetrisches Triblockcopolymer (T), bestehend aus einem kurzen Block aus Poly(tBA), einem längeren Block aus Poly(tBA-ran-BA) mit 50 Mol-% tBA und einem kurzen Block aus Poly(BA). Der angestrebte DP_n der Komponentenblöcke von T lag im Verhältnis 21:58:21. Das Gradientenprofil wurde unter Verwendung eines Starved-Feed-Semibatch-Verfahrens unter kontinuierlicher Zugabe beider Monomere erhalten,³¹ während die asymmetrischen Diblock- und Triblockprofile über sequentielle Polymerisationen unter Verwendung eines Parallelsyntheseroboters erhalten wurden.³² Die asymmetrischen Strukturen D und T wurden ausgewählt, um das lineare Gradientenprofil mit einer minimalen Anzahl von Syntheseschritten zu erhalten (siehe Hintergrundinformationen für Einzelheiten zur Profilauswahl). Jedes Zusammensetzungsprofil wurde für die zahlenmittleren Gesamt-Molmassen (M_n) von 10 und 20 kg mol⁻¹ realisiert.

Die tert-Butylgruppen wurden anschließend selektiv und quantitativ unter Verwendung von Trifluoressigsäure acidolysiert, um amphiphile Copolymere von AA und BA zu erhalten, bei denen die Verteilung der AA-Einheiten die Verteilung der tBA-Einheiten im ursprünglichen Polymer genau wiedergibt.³³ Ausführliche Details zur Synthese und Charakterisierung sind in den Hintergrundinformationen zu finden (Abbildungen S2–S19, Tabellen S1 und S2). Ihre charakteristischen Eigenschaften sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Polymere werden beispielsweise als G20 bezeichnet, wobei G das Gradientenprofil und 20 die angestrebte molare Masse M_n (vor der Acidolyse) von 20 kg mol⁻¹ darstellt.

Die potentiometrische Titration der 20 kg mol⁻¹-Polymere mittels 0.1 M NaCl zeigte, dass sie im Grunde vollständig bei pH ≥9, zu 80 bis 90 % bei pH 7, zu 20 bis 40 % bei pH 5 und zu weniger als 10 % bei pH 4 ionisiert vorlagen. Sie zeigten einen scheinbaren pKa bei 50 % Ionisation im Bereich von 5.5 (B20) bis 5.8 (G20). Die vollständigen Titrationskurven sind in den Hintergrundinformationen gezeigt (Abbildungen S10–S11).

Der Einfluss des pH-Werts auf die Selbstassemblierung der Polymere in wässriger Lösung wurde zunächst mit Hilfe der dynamischen Lichtstreuung (DLS) untersucht. Die Polymere wurden direkt in einer 0.1 M NaOH-Lösung mit einem Massenanteil von 0.2 % gelöst, um ihre vollständige Ionisierung sicherzustellen. Die Lösung wurde zunächst gegen HCl-Lösung titriert bis sich eine Trübung einstellte (typischerweise bei pH ≈4), dann gegen NaOH-Lösung, um zu einem hohen pH-Wert zurückzukehren. DLS-Korrelogramme wurden in regelmäßigen Abständen während der Titration aufgenommen. Parallel dazu wurden die Polymere direkt in Pufferlösungen mit pH-Werten von 10, 8, 7, 6, 5 und 4 gelöst. Bei pH 4 lösten sich die Polymere nicht spontan in Wasser und Dispersionen wurden nur durch Erhitzen mit Mikrowellenbestrahlung erhalten. Diese Lösungen wurden ebenfalls mittels DLS analysiert. Die scheinbaren Partikelgrößenverteilungen waren in fast allen Fällen monomodal, wobei die PDIs von weniger als 0.1 im Fall von D20 bis maximal 0.46 im Fall von G20 bei pH 4.45 reichten (für Details siehe Hintergrundinformationen, Abbildungen S12–S23, Tabellen S3–S11). Abbildung 2 zeigt die Variation des scheinbaren hydrodynamischen Durchmessers D_h als Funktion des pH-Werts sowohl für die titrierten Proben als auch für Polymere, die direkt in Pufferlösung dispergiert waren.

Der scheinbare D_h der Selbstassemblierungen der Blockcopolymere B10 und B20 wurden durch pH-Wert-Änderungen für pH >5 (α>20 %) nicht beeinflusst. Bei pH 5 fiel das Polymer aus. Signifikante Unterschiede in den scheinbaren D_h wurden bei den Vorwärts- und Rück-Titrationen beobachtet, was in Übereinstimmung mit früheren Berichten in der Literatur darauf hinweist, dass es sich bei den Selbstassemblierungen um eine kinetisch gehemmte, d. h. eine sich nicht im stabilen Gleichgewicht befindende, Spezies handelt.^35-37

Gegensätzlich zeigte sich, dass die scheinbaren D_h der Gradientencopolymere und asymmetrischen Diblockcopolymere pH-sensitiv waren, indem sie stetig von 10 bis 30 nm bei einem pH-Wert von mehr als 7 auf etwa 100 nm bei einem pH-Wert von 4 bis 5 in ihrer Größe zunahmen. Die DLS-Titrationskurven waren reversibel und allgemein in guter Übereinstimmung mit den hydrodynamischen Durchmessern, die durch direktes Lösen in Pufferlösung erhalten wurden. Eine Hysterese wurde bei einem pH-Wert von weniger als ≈5 beobachtet, was darauf hindeutet, dass die Gleichgewichtsfindung in diesem Fall nur langsam oder nicht vorhanden ist, da der Ionisationsgrad niedrig ist, was mit früheren Beobachtungen bei Blockcopolymeren von Polyacrylsäure und Poly(Acrylsäure-ran-n-Butylacrylat) übereinstimmt.^{38, 39} Abschließend blieb der scheinbare D_h der asymmetrischen Triblockcopolymere bei Senkung des pH-Werts konstant oder nahm leicht ab, bis er bei pH 4 abrupt anstieg (α<10 %). Auch hier waren die Größenänderungen reversibel und unabhängig von der Herstellungsmethode für pH-Werte >4.

Ausgewählte Proben (B20, G20, D10 und T10, hergestellt durch direkte Dispersion in Puffer) wurden anschließend durch Messungen mittels Kryo-Transmissionselektronenmikroskopie (Kryo-TEM) analysiert, wobei repräsentative Bilder in Abbildung 3 dargestellt sind (weitere Kryo-TEM-Bilder sind in den Hintergrundinformationen verfügbar, Abbildungen S24–S40). Diese Bilder stimmten im Allgemeinen mit den mittels DLS beobachteten Trends in der Partikelgröße überein, ermöglichten jedoch eine direkte Erfassung der Partikelmorphologie.

Kryo-TEM-Bilder von B20 zeigten kugelförmige Partikel mit Durchmessern von ≈40 nm. Bei allen pH-Werten liegen sie in Clustern verschiedener Ausprägung vor, was die größeren Partikeldurchmesser erklärt, die mittels DLS erhalten wurden. Das Vorhandensein dieser Cluster in Lösung bei pH 4 und pH 10 wurde durch Kleinwinkel-Neutronenstreuung bestätigt (Abbildung S41). Bei pH 4 dominieren schwach definierte, stark polydisperse, kugelförmige Partikel, obwohl auch einige größere Partikel, einschließlich wurmartiger Mizellen und Vesikel, beobachtet wurden (Abbildungen 3 a und S27), wobei eine gewisse makroskopische Phasentrennung auftritt.

Im Gegensatz dazu nahm die Größe der kugelförmigen Anordnungen von G20 und D10 zu, wenn der pH-Wert von 10 (vollständig ionisiert) auf 7 (Ionisationsgrad, α=80–90 %) abnahm. Bei pH 5 (α=20 bis 40 %) zeigte D10 eine Mischung aus wurmartigen und kugelförmigen Strukturen, während bei pH 4 (α<10 %) Vesikel dominierten. Für G20 wurden bei pH 5 Assemblierungen in Kugelform beobachtet, während bei pH 4 eine Mischung aus Vesikeln und wurmartigen Mizellen beobachtet wurde. Die Anwesenheit von wurmartige Mizellen und Vesikeln und nicht nur reinen Vesikeln wie in den anderen Proben, könnte mit der größeren Dispersität der Gradienten-Copolymer zusammenhängen, da erhöhte Dispersität bekanntlich die Phasendiagramme von Blockcopolymeren beeinflusst,^40-44 indem zum Beispiel die Zylinder/Lamellen-Phasengrenze von Elastomeren aus Polystyrol-block-Polyisopren-block-Polystyrol zu höheren Volumenfraktionen von Polystyrol verschoben wird.⁴⁴ Wurmartige Strukturen wurden zuvor in wässrigen Dispersionen von Blockcopolymeren von n-BuA und AA beobachtet, die bei niedrigem pH-Wert hergestellt wurden; diese wandeln sich irreversibel zu Kugeln um, wenn der pH-Wert erhöht wird.^{35, 45}

Die Assemblierungen von T10 führte zur Ausbildung von kleinen (≈10 nm) kugelförmigen Strukturen im Bereich von pH 10 bis pH 5, während Vesikel mit einem Durchmesser von 100 bis 300 nm nur bei einem pH-Wert von 4 beobachtet wurden.

Die asymmetrischen Diblock-, Triblock- und Gradientenstrukturen zeigten starke Ähnlichkeiten in ihrem Assemblierungsverhalten, wobei sie bei hohem pH-Wert kugelförmige Strukturen und bei niedrigem pH-Wert Vesikel bildeten. Sie zeigten jeweils eine dynamische und reversible Reaktion auf Änderungen des pH-Werts (zumindest für pH ≥5), die in den Blockcopolymeren B10 und B20 nicht auftraten. Während die Triblockcopolymere im Zusammensetzungsprofil den linearen Gradientencopolymeren zunächst ähnlich erscheinen, ahmte das kürzere asymmetrische Diblockcopolymer D10 die für Gradientencopolymere beobachteten Größen und morphologischen Übergänge am ehesten nach. Dies kann auf das Vorhandensein eines Segments aus Poly(butylacrylat)-Homopolymer in den Triblockcopolymeren zurückzuführen sein, von dem erwartet werden kann, dass es den Austausch zwischen Mizellen signifikant verzögert.^{33, 35, 37}

Die beobachteten Transformationen von D10 erschienen besonders bemerkenswert, da dieses Copolymer als Reaktion auf Änderungen des pH-Werts Kugeln unterschiedlicher Größe, Würmer oder Vesikel bildet, wobei zumindest für pH >5 eine Reversibilität nachgewiesen werden kann. Eine solche Bandbreite an sich ausbildenden Strukturen ist für Polymerzusammensetzungen ungewöhnlich. Im vorliegenden Fall ist der Effekt der variierten räumlichen Verteilung von hydrophoben und hydrophilen Einheiten besonders offensichtlich. Diese Probe wurde des Weiteren unter Verwendung von Kleinwinkel-Neutronenstreuung (SANS) bei pH 10, 7, 5 und 4 untersucht.

Die in Abbildung 4 gezeigten Ergebnisse zeigen einen 10³-fachen Anstieg der Molmasse der Selbstassemblierungen beim Übergang von pH 10 auf pH 4 als Folge der morphologischen Veränderung und der damit einhergehenden Erhöhung der Anzahl der Copolymerketten während der Selbstassemblierung (siehe Einschub in Abbildung 4). Interessanterweise zeigen die SANS-Daten bei pH 10 und 7 ein Plateau bei niedrigen q-Werten, was auf kleine, quasi kugelförmige Nanoobjekte hinweist. Für pH 5 und 4 ist bei niedrigem q die Streuintensität I(q) proportional zu q⁻¹ bzw. q⁻², was auf das Vorhandensein von zylindrischen und lamellaren Spezies hinweist. Diese qualitative Beobachtung wird durch die Auswertung der Daten bestätigt, was darauf hindeutet, dass die Proben leicht längliche Mizellen bei pH 10 und 7 und lange Zylinder bei pH 5 (möglicherweise mit einem geringen Beitrag von kugelförmigen Nanoobjekten, siehe Abbildung S41 für weitere Einzelheiten), sowie vorwiegend Vesikel bei pH 4 enthielten. Diese Schlussfolgerungen werden durch die Kryo-TEM-Untersuchungen bestätigt. Weitere Einzelheiten zur Anpassungsverfahren an die entsprechenden Modelle, einschließlich der zugehörigen Modellparameter, sind in den Hintergrundinformationen verfügbar (Tabelle S12).

Zusammenfassung

Die bemerkenswerten Verhaltensunterschiede zwischen Block-, Gradienten-, asymmetrischen Diblock- und asymmetrischen Triblockcopolymeren unterstreichen, trotz ihrer identischen Zusammensetzung und Molmasse, die Bedeutung der kontrollierten Verteilung funktioneller Gruppen innerhalb einer Polymerkette. Beim Übergang von einer rein blockartigen Struktur zu gradientenartigen, asymmetrischen Strukturen, die statistische Copolymersegmente enthalten, werden die kinetisch gehemmten Assemblierungen des Blockcopolymers in dynamische, responsive Assemblierungen umgewandelt, die sowohl ihre Größe als auch ihre Form als Reaktion auf die Änderungen ihrer Umgebung ändern können. Durch geeignete Auswahl des Zusammensetzungsprofils kann ein einzelnes Acrylsäure-Butylacrylat-Copolymer (D10) unter verschiedenen pH-Bedingungen kugelförmige, wurmartige oder vesikuläre Morphologien bilden.

Conflict of interest

Die Autoren erklären, dass keine Interessenkonflikte vorliegen.