DOI: https://doi.org/10.1021/acs.macromol.5c03539
تاريخ النشر: 2026-01-30
المؤلف: Oleksandr Wondra وآخرون
الموضوع الرئيسي: تخليق وتوصيف البوليمرات المتقدمة
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة تفعيل البوليمر لمواد السيليكا المسامية من خلال بلمرة الجذور المنقولة بالسطح التي تحفزها الإنزيمات (SI-bioATRP)، مع التركيز على تأثير شحنة المونومر على عملية البلمرة. تم بلمرة مجموعة متنوعة من المونومرات المشحونة، بما في ذلك ميثاكريلات 3-سلفوبروبيل البوتاسيوم (KSPMA)، [2-(ميثاكريلوكسي)إيثيل]كلوريد ثلاثي ميثيل الأمونيوم (METAC)، فوسفات ميثاكريلات 2-هيدروكسي إيثيل (MEP)، وميثاكريلات 2-(ثنائي ميثيل أمينو) إيثيل (DMAEMA)، مع المونومر المضيء روديمن-هيدروكسي إيثيل ميثاكريلات (RhoB-HEMA) باستخدام الهيموغلوبين كعامل حفاز. أشارت النتائج إلى أن حجم المسام المسامية أثر بشكل كبير على توزيع ومحتوى البوليمرات المشتركة، حيث سهلت أقطار المسام الأكبر توزيع بوليمر مشترك أكثر تجانسًا وزيادة في محتوى البوليمر.
تكشف النتائج أن دمج RhoB-HEMA في البوليمرات المشتركة يتأثر بكل من شحنة المونومرات والشحنة السطحية الإيجابية العامة للجزيئات المفعلة بـ ATRP. من الجدير بالذكر أن مونومرًا مشحونًا إيجابيًا مثل METAC أدى إلى انخفاض كبير في دمج RhoB-HEMA مقارنة بمونومر مشحون سلبًا مثل MEP، وذلك بسبب التفاعلات الكهروستاتيكية مع جدران المسام. تعزز هذه الدراسة الفهم لكيفية تأثير هيكل الجسيمات المسامية على تخليق البوليمر المشترك، مما يمهد الطريق لتطبيقات متقدمة في الاستشعار الحيوي والتحفيز من خلال دمج شبكات التفاعل الإنزيمية داخل البيئات النانوية المسامية.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية تفعيل جزيئات السيليكا المسامية، التي تم استخدامها في تطبيقات متنوعة مثل التحفيز غير المتجانس، التصوير الحيوي، التشخيص، وتوصيل الأدوية. تسهل الخصائص الفريدة لهذه المواد السيليكا، بما في ذلك أحجام المسام القابلة للتعديل، والمساحات السطحية العالية، وأحجام المسام الكبيرة، تفعيلها من خلال طرق ما قبل التخليق وما بعد التخليق. من الجدير بالذكر أنه يمكن دمج البوليمرات المستجيبة للمؤثرات لتمكين استجابة المسام للعوامل الخارجية مثل الضوء، ودرجة الحموضة، ودرجة الحرارة. من بين التقنيات المختلفة للتفعيل، يتم تسليط الضوء على بلمرة الجذور المنقولة بالسطح (SI-ATRP) كأكثرها شيوعًا، مع ظهور عدة طرق مصقولة، بما في ذلك ATRP المحفز بالإنزيم، الذي يعزز التوافق الحيوي.
تؤكد الورقة على إمكانيات بلمرة المحفزات الإنزيمية في البيئات المحصورة، والتي يمكن أن تخصص تفعيل المواد المسامية للتطبيقات الطبية والتقنيات الاستشعارية. تناقش تأثير خصائص المسام على نشاط الإنزيم وخصائص البوليمر، مشيرة إلى أن تأثيرات الحصر يمكن أن تغير بشكل كبير سلوك الإنزيم والوصول إلى البوليمر. تهدف الدراسة إلى التحقيق بشكل منهجي في تأثيرات شحنة المونومر وحجم المسام على زراعة البوليمرات المشتركة داخل السيليكا المسامية، باستخدام مزيج من المجهر الضوئي الماسح بالليزر (CLSM) وطيف الأشعة تحت الحمراء (ATR-IR) لتحليل توزيع البوليمر وتركيبه. تشمل المونومرات المختارة كلاً من الأنواع المشحونة سلبًا وإيجابيًا، مما يسمح باستكشاف شامل لكيفية تأثير هذه العوامل على عملية البلمرة داخل الهيكل المسامي.
طرق
في هذا القسم، يتم تفصيل تخليق روديمن-هيدروكسي إيثيل ميثاكريلات (RhoB-HEMA)، متبعًا إجراءً معدلاً من الأدبيات الموجودة. يبدأ التخليق بإذابة 1 جرام من روديمن B (RhoB) في 50 مل من الكلوروفورم الجاف تحت جو من النيتروجين. يتم إضافة فائض من كلوريد الثيونيل (921 ميكرولتر، 12.7 مليمول) بالتنقيط، ويتم إعادة خلط المزيج لمدة 16 ساعة. بعد إزالة المذيب تحت الفراغ، يتم إذابة المنتج الوسيط في 25 مل من ثنائي كلور الميثان (DCM)، تليها إضافة 1.16 مل من ميثاكريلات 2-هيدروكسي إيثيل (HEMA؛ 9.6 مليمول). تستمر التفاعل طوال الليل في درجة حرارة الغرفة، ويتم تنقية المنتج الخام عبر كروماتوغرافيا العمود باستخدام نظام مذيب DCM:MeOH (15:1)، مما ينتج عنه مادة صلبة بلورية خضراء-ذهبية.
يتم إجراء توصيف المنتج النهائي باستخدام طيف الرنين المغناطيسي النووي للبروتون (^1H-NMR) وقياس الكتلة. يتم الإبلاغ عن عائد RhoB-HEMA المصنع كـ 1.14 جرام (99%). يشير طيف ^1H-NMR إلى انزياحات كيميائية مميزة، مما يؤكد الدمج الناجح للمجموعات الوظيفية المرغوبة، بينما يوفر قياس الكتلة وزنًا جزيئيًا قدره m/z = 555.29، متسقًا مع الهيكل المتوقع لـ RhoB-HEMA.
نتائج
تفصل نتائج الدراسة تخليق وتوصيف جزيئات السيليكا المسامية المستخدمة في بلمرة الجذور المنقولة بالسطح المحفزة حيويًا (SI-bioATRP). تم تصنيع جزيئات السيليكا المسامية عبر عملية ستوبر باستخدام Pluronic® P123 وميستيلين، حيث أظهرت متوسط قطر يبلغ $3.4 \pm 0.4 \, \mu m$ وقطر مسام يبلغ $21 \pm 2 \, nm$، تم تأكيده من خلال المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) وقياسات امتصاص الغاز الأرجون. تم تحديد المساحة السطحية المحددة لتكون $336 \, m^2/g$، مع حجم إجمالي للمسام يبلغ $1.66 \, cm^3/g$. تم إثبات وجود كل من المسام الكبيرة والصغيرة من خلال تحليل سلوك الامتصاص، مما يشير إلى هيكل مسامي معقد ملائم لزراعة البوليمر.
تم تحقيق تفعيل سطح السيليكا في خطوتين: أولاً، عن طريق ربط 3-أمينوبروبيل ثلاثي ميثوكسي سيليان (APTMS) بشكل تساهمي، تليها زراعة المحفز ATRP 2-برومو إيزوبوتيريل بروميد (BiBB). تم تأكيد التفعيل الناجح من خلال التحليل الحراري الوزني (TGA) وطيف الانعكاس الكلي المخفف للأشعة تحت الحمراء (ATR-IR)، مما يكشف عن كثافة سطح APTMS تبلغ حوالي $0.8-1 \, molecules/nm^2$ وكثافة المحفز ATRP تبلغ $1.9 \, iBB/nm^2$. تشير الكثافة الأعلى من المتوقع للمحفز ATRP إلى وجود آليات ربط متعددة، بما في ذلك التفاعلات المباشرة مع مجموعات السيلانول المتبقية على سطح السيليكا. توفر الدراسة فهمًا شاملاً للخصائص الهيكلية وعمليات التفعيل الحيوية الضرورية لتعزيز كفاءة زراعة البوليمر داخل جزيئات السيليكا المسامية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم إجراء بلمرة مشتركة عبر SI-bioATRP على جزيئات السيليكا المسامية المفعلة بـ ATRP باستخدام كل من الهيموغلوبين الأصلي والمعدّل بواسطة السيستين كعوامل محفزة حيوية. تم تعديل الهيموغلوبين المحجوز بالسيستين باستخدام N-(2-هيدروكسي إيثيل)ماليميد (HEMI) لمنع تفاعلات نقل السلسلة، وقد تم استخدامه سابقًا في سياقات بلمرة متنوعة. استخدم الإعداد التجريبي الهيموغلوبين الأصلي لتبسيط العملية، على الرغم من إمكانية حدوث نقل السلسلة إلى مجموعات السيستين. تم بدء البلمرة في محلول مخزن من الأسيتات عند درجة حموضة 4 و37 درجة مئوية، مع استخدام أسكوربات الصوديوم كعامل مختزل. تم تأكيد بلمرة المونومر المضيء RhoB-HEMA مع مجموعة متنوعة من المونومرات الأولية من خلال طيف ATR-IR، الذي اكتشف اهتزازات تمدد الكربونيل المميزة، وصور CLSM، التي أظهرت توزيعًا متجانسًا للبوليمرات المشتركة عبر مقاطع الجسيمات.
استكشفت الدراسة أيضًا تأثيرات تغيير شحنة المونومر وقطر المسام على نتائج البلمرة المشتركة. أشارت قياسات الجهد الزتاوي إلى نجاح زراعة البوليمر، مع تحولات في الشحنة تتوافق مع نوع المونومر المستخدم. من الجدير بالذكر أن قطر المسام أثر على كمية البوليمر المشترك المتكون، حيث سهلت الأقطار الأكبر امتصاص الهيموغلوبين وزراعة البوليمر. أظهرت النتائج أن زيادة تركيز RhoB-HEMA في التغذية أدت إلى معدلات دمج أعلى في سلاسل البوليمر، مع استخدام شدة الفلورسنت كمقياس لمحتوى البوليمر المشترك. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية شحنة المونومر وخصائص المسام في ضبط تركيبة البوليمر وتوزيعه داخل جزيئات السيليكا المسامية.
DOI: https://doi.org/10.1021/acs.macromol.5c03539
Publication Date: 2026-01-30
Author(s): Oleksandr Wondra et al.
Primary Topic: Advanced Polymer Synthesis and Characterization
Overview
This study explores the polymer functionalization of mesoporous silica materials through enzyme-catalyzed surface-initiated atom transfer radical polymerization (SI-bioATRP), focusing on the impact of monomer charge on the polymerization process. Various charged monomers, including potassium 3-sulfopropyl methacrylate (KSPMA), [2-(methacryloyloxy)ethyl]trimethylammonium chloride (METAC), 2-hydroxyethyl methacrylate phosphate (MEP), and 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate (DMAEMA), were copolymerized with the fluorescent co-monomer rhodamine-hydroxyethylmethacrylate (RhoB-HEMA) using hemoglobin as the catalyst. The results indicated that the size of the mesopores significantly influenced the distribution and content of the copolymers, with larger pore diameters facilitating a more homogeneous copolymer distribution and increased polymer content.
The findings reveal that the incorporation of RhoB-HEMA into the copolymers is affected by both the charge of the monomers and the overall positive surface charge of the ATRP-initiator functionalized particles. Notably, a positively charged monomer like METAC resulted in significantly lower RhoB-HEMA incorporation compared to a negatively charged monomer such as MEP, attributed to electrostatic interactions with the mesopore walls. This research enhances the understanding of how mesoporous particle structure influences copolymer synthesis, paving the way for advanced applications in biosensing and catalysis through the integration of enzymatic reaction networks within nanoporous environments.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the functionalization of mesoporous silica particles, which have been utilized in various applications such as heterogeneous catalysis, bio-imaging, diagnostics, and drug delivery. The unique properties of these silica materials, including tunable pore sizes, high surface areas, and large pore volumes, facilitate their functionalization through both pre-synthetic and post-synthetic methods. Notably, stimuli-responsive polymers can be incorporated to enable pore responsiveness to external factors like light, pH, and temperature. Among the various techniques for functionalization, Surface-Initiated Atom Transfer Radical Polymerization (SI-ATRP) is highlighted as the most prevalent, with several refined methods emerging, including enzyme-catalyzed ATRP, which enhances biocompatibility.
The paper emphasizes the potential of enzyme-catalyzed polymerization in confined environments, which can tailor the functionalization of porous materials for biomedical applications and sensor technologies. It discusses the influence of mesopore characteristics on enzyme activity and polymer properties, noting that confinement effects can significantly alter enzymatic behavior and polymer accessibility. The study aims to systematically investigate the effects of monomer charge and pore size on the grafting of copolymers within mesoporous silica, utilizing a combination of confocal laser scanning microscopy (CLSM) and ATR-IR spectroscopy to analyze polymer distribution and composition. The selected monomers include both negatively and positively charged variants, allowing for a comprehensive exploration of how these factors impact the polymerization process within the mesoporous structure.
Methods
In this section, the synthesis of rhodamine-hydroxyethylmethacrylate (RhoB-HEMA) is detailed, following a modified procedure from existing literature. The synthesis begins with the dissolution of 1 g of rhodamine B (RhoB) in 50 mL of dry chloroform under a nitrogen atmosphere. An excess of thionyl chloride (921 µL, 12.7 mmol) is added dropwise, and the mixture is refluxed for 16 hours. After solvent removal under vacuum, the intermediate product is dissolved in 25 mL of dichloromethane (DCM), followed by the addition of 1.16 mL of 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA; 9.6 mmol). The reaction proceeds overnight at room temperature, and the crude product is purified via column chromatography using a DCM:MeOH solvent system (15:1), yielding a green-gold crystalline solid.
Characterization of the final product is performed using proton nuclear magnetic resonance (^1H-NMR) spectroscopy and mass spectrometry. The yield of the synthesized RhoB-HEMA is reported as 1.14 g (99%). The ^1H-NMR spectrum indicates distinct chemical shifts, confirming the successful incorporation of the desired functional groups, while mass spectrometry provides a molecular weight of m/z = 555.29, consistent with the expected structure of RhoB-HEMA.
Results
The results of the study detail the synthesis and characterization of mesoporous silica particles utilized for surface-initiated biocatalytic atom transfer radical polymerization (SI-bioATRP). The mesoporous silica particles, synthesized via the Stöber process with Pluronic® P123 and mesitylene, exhibited an average diameter of $3.4 \pm 0.4 \, \mu m$ and a mesopore diameter of $21 \pm 2 \, nm$, confirmed by transmission electron microscopy (TEM) and argon gas physisorption measurements. The specific surface area was determined to be $336 \, m^2/g$, with a total pore volume of $1.66 \, cm^3/g$. The presence of both mesopores and micropores was established through adsorption behavior analysis, indicating a complex pore structure conducive to polymer grafting.
The functionalization of the silica surface was achieved in two steps: first, by covalently attaching 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS), followed by grafting the ATRP initiator 2-bromoisobutyryl bromide (BiBB). The successful functionalization was confirmed through thermogravimetric analysis (TGA) and attenuated total reflectance infrared (ATR-IR) spectroscopy, revealing an APTMS surface density of approximately $0.8-1 \, molecules/nm^2$ and an ATRP-initiator density of $1.9 \, iBB/nm^2$. The higher-than-expected density of the ATRP initiator suggests multiple binding mechanisms, including direct reactions with residual silanol groups on the silica surface. The study provides a comprehensive understanding of the structural properties and functionalization processes critical for enhancing polymer grafting efficiency within mesoporous silica particles.
Discussion
In this study, copolymerization via SI-bioATRP was conducted on ATRP-initiator functionalized mesoporous silica particles using both native and cysteine-blocked hemoglobin as biocatalysts. The cysteine-blocked hemoglobin, modified with N-(2-hydroxyethyl)maleimide (HEMI) to prevent chain transfer reactions, was previously employed in various polymerization contexts. The experimental setup utilized native hemoglobin to streamline the process, despite the potential for chain transfer to cysteine groups. The polymerization was initiated in an acetate buffer solution at pH 4 and 37 °C, with sodium L-ascorbate as the reducing agent. The copolymerization of the fluorescent co-monomer RhoB-HEMA with various primary monomers was confirmed through ATR-IR spectroscopy, which detected characteristic carbonyl stretching vibrations, and CLSM imaging, which demonstrated a homogeneous distribution of copolymers across particle cross-sections.
The study further explored the effects of varying monomer charge and mesopore diameter on copolymerization outcomes. The zeta potential measurements indicated successful polymer grafting, with shifts in charge correlating with the type of monomer used. Notably, the mesopore diameter influenced the amount of copolymer formed, with larger diameters facilitating greater hemoglobin adsorption and copolymerization. The results showed that increasing the RhoB-HEMA concentration in the feed led to higher incorporation rates into the copolymer chains, with fluorescence intensity serving as a metric for copolymer content. Overall, the findings underscore the importance of monomer charge and mesopore characteristics in tuning copolymer composition and distribution within mesoporous silica particles.