الأشكال التضاريسية الذاتي تجميع تم الحصول عليها من حلزوني Polycarbodiimide البوليمر ومشتقاتها التريازول
February 7th, 2017
هنا، نقدم بروتوكول لإعداد وتصور الهياكل الثانوية (على سبيل المثال، والألياف، أبنية حلقية، والنانو المجالات) المستمدة من polycarbodiimides حلزونية. وقد أظهرت التشكل تتميز كلا المجهري القوة الذرية (AFM) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) تعتمد على التركيب الجزيئي، والتركيز، ومذيب للاختيار.
الهدف العام من هذا البروتوكول هو إظهار نهج اصطناعي عقلاني للعدي كربوديميدات الحلزونية التي تحمل مجموعات قلادة قابلة للتعديل وتصور الهياكل الثانوية المجمعة منها عن طريق الفحص المجهري للقوة الذرية. هذه الدراسات ذات أهمية خاصة لتطوير إجراءات تجريبية لإعداد البنى المرغوبة. يمكن بعد ذلك استغلال هذه البنى كأجهزة استشعار محتملة أو مفاتيح ضوئية أو تطبيقات طبية حيوية.
الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أنه يمكن تطبيقها بسهولة على سقالات polycarbodiimide المختلفة لعمل تجميعات محددة ، مثل الكعك ، والشرائط ، والألياف ، والحلزونات الفائقة ، والكرات ، وما إلى ذلك. يمتد الآثار المترتبة على هذه التقنية نحو استخدام سقالة بولي كربوديميد الحلزونية كناقلات محتملة للأدوية. لأن هذه الجزيئات الدقيقة الشبيهة بالحفلات تتجمع ذاتيا في بنية فريدة بطريقة يمكن التحكم فيها.
لبدء هذا الإجراء ، أضف جراما واحدا من مونومر ET و 0.894 جراما من مونومر الأس الهيدروجيني إلى قارورة تلألؤ نظيفة سعة 20 مليلتر تحتوي على قضيب تقليب مغناطيسي في صندوق القفازات. ثم أضف 0.018 جرام من محفز BINOL إلى قارورة التلألؤ. أضف ما يقرب من ثلاثة إلى خمسة ملليلتر من الكلوروفورم اللامائي وحرك برفق لإذابة كل من المونومر والمحفز.
بعد تغطية القارورة ، اترك خليط التفاعل يتحرك طوال الليل عند 25 درجة مئوية. أعد إذابة البوليمر في خمسة إلى عشرة ملليلتر من الكلوروفورم وأعد تثبيته في 250 مل من الميثانول لإزالة المحفز المتبقي. ثم جفف المرسب تحت فراغ عالي لمدة 24 ساعة لإزالة الميثانول.
في صندوق القفازات ، أضف خمسة ملليلتر من THF اللامائي وقضيب التحريك المغناطيسي إلى قارورة تلألؤ تحتوي على 0.25 جرام من تركيبة R 50 ethynol 50 الفينول. ثم أضف 0.146 جرام من الأميد المطلوب إلى قارورة التلألؤ. بعد ذلك ، أضف 0.022 جرام من محفز يوديد النحاس إلى قارورة التلألؤ.
اترك المحلول يقلب لمدة دقيقتين لتشكيل تعليق متجانس. الآن ، أضف 0.713 جرام من DBU إلى المعلق المتجانس واتركه يقلب لمدة ساعتين عند 25 درجة مئوية. يجب إجراء التفاعل الدوري لمدة ساعتين.
يجب تجنب وقت رد الفعل الطويل لمنع تكوين الهلام الصلب ، مثل المذيبات العضوية غير المستحلبية غير القابلة للذوبان. بعد إزالة القارورة من صندوق القفازات ، قم بإزالة قضيب التحريك المغناطيسي وحقن المحلول الأخضر الشبيه بالهلام في 250 مل من الميثانول البارد ، الذي يحتوي على 0.5 مل من DBU. اجمع بوليمر التريازول المشكل عن طريق الترشيح باستخدام قمع مقاس 15 مليلتر ، واغسله مرة واحدة ب 250 مل من الميثانول.
بعد تكرار التنقية ، جفف منتج تفاعل النقر تحت فراغ عالي لمدة 24 ساعة لإزالة الميثانول. في صندوق القفازات ، امزج 0.029 جرام من محفز كلوريد النحاس مع 0.1 جرام من البادئ الكلي في قارورة تلألؤ تحتوي على 0.101 جرام من PMDETA. بعد إضافة شريط تحريك مغناطيسي إلى القارورة ، أضف 1.51 جرام من الستايرين المقطر حديثا.
ثم أضف ما يقرب من 12 مل من التولوين اللامائي لإذابة الكواشف. بمجرد إغلاق القارورة وإزالتها من صندوق القفازات ، اغمرها في حمام زيت وقم بزيادة درجة الحرارة. قلب خليط التفاعل في درجة الحرارة المطلوبة لمدة 12 ساعة في غطاء الدخان.
بعد إزالة شريط التحريك المغناطيسي ، اسكب خليط التفاعل في 250 مل من الميثانول البارد ، الذي يحتوي على 0.5 مل من DBU. بعد ذلك ، اجمع الرقائق المشكلة عن طريق الترشيح ، باستخدام قمع مقنع سعة 15 مليلتر ، واغسل المادة مرة واحدة بحوالي 50 مل من الميثانول البارد. قم بتصفية كل محلول مخزون بوليمري من خلال مرشح حقنة PTFV 0.45 ميكرومتر قبل الترسيب على رقاقة السيليكون.
مباشرة بعد إيداع 200 ميكرولتر من العينة على رقاقة السيليكون ، استخدم آلة طلاء الدوران لتغطية سطح الرقاقة بالكامل بغشاء بوليمري موحد لقياسات AFM. BINAL R أو S التيتانيوم بوساطة محفز ، بلمرة الإدراج التي تؤدي إلى سلسلة R و S من polycarbodiimides موضحة هنا. يتم هنا عرض تخليق التريازول بولي كاربوديميدات المستخدم كبادرات كلية في تفاعل ATRP لإنتاج polycarbodiimide-g-polystyrenes ، أو PSPCDs.
يمكن للجزيئات الكبيرة أن تتجمع ذاتيا في غشاء رقيق لتشكيل مجموعة متنوعة من البنى الجزيئية الفائقة المعقدة ، مثل الألياف والألياف الحلقية والحلزونات الفائقة والشبكات الليفية والشرائط والركام الشبيهة بالديدان والهياكل الحلقية والحفر يظهر هنا نموذج جزيئي لبادئ التريازول الكلي. تؤكد صور AFM لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور الألكيين تكوين أشكال تشبه الألياف.
بشكل عام ، أدى تخفيف محاليل المخزون إلى تقليل حجم الأشكال المجمعة المتكونة. تظهر هنا الأشكال المتكونة من PSPCDs ، الدوران المطلي من مخزون الكلوروفورم. على عكس سلوكيات تجميع الألكين polycarbodiimide في الكلوروفورم ، كشف فحص PSPCDs عن كل من التجمعات الشبيهة بالفوهة والبنى المشيمية بحجم النانو كزخارف سائدة.
تظهر هنا صور AFM ل PSPCDs التي تشير إلى تكوين كريات نانوية منفصلة عند تطبيق نظام مذيب أحادي أو ثنائي لترسيب العينة ، مع أحجام الجسيمات المعتمدة على التركيز. يتم هنا عرض تجميع الجزيئات الكبيرة الفردية في جزيئات نانوية كروية تتطابق بشكل وثيق مع الأشكال المقاسة بواسطة SEM. ومن اللافت للنظر أن المجاميع الأكبر حجما بالميكرون قد تتعرض للخطر من الجسيمات النانوية الفردية المتكتلة معا.
تمثل طريقة الطلاء الدوار طريقة ملائمة لصنع أشكال متعددة الأنواع بشكل متكرر ، بما في ذلك الألياف ، والحلزونات الفائقة ، والبنى الشبيهة بالدونات ، والكريات المجهرية ، بناء على إيثينول بولي كاربوديديميد ومشتقات البوليسترين الخاصة بها. أثناء تحضير أغشية بولي كربوديميد على رقائق السيليكون ، يجب تجفيفها بالهواء لبضع ساعات لتصوير AMF. هذه المرة سنسهل هذه الجزيئات الكبيرة التنظيم الذاتي لأشكال محددة يمكن تحديدها.
وكنتيجة عملية مهمة للدراسات هي أن تكوين الهياكل الثانوية يتأثر بشدة بالتركيز والمذيب. باتباع هذا الإجراء ، يمكن تنفيذ طرق أخرى ، مثل TEM و SEM و XRD. هذا يسمح لنا بطرح أسئلة إضافية تتعلق بهيكل بولي كربوديميدات الحلزونية.
هدفنا هو تطوير مواد ذات بنى kyro يتم التحكم فيها بدقة وخصائص قابلة للضبط. قد تشمل التطبيقات المستقبلية لهذه الطريقة ، فيما يتعلق بpolycarbodiimides ، تطوير أجهزة استشعار kyro أو بناء مجاميع كروية كناقلات لتوصيل الدواء. بالإضافة إلى ذلك ، يمكننا تصميم سقالات جزيئية جديدة تمتلك هياكل مجهرية محددة تعرض خصائص تبديل كيرو بصرية مثيرة للاهتمام
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
نظرة عامة
يُظهر هذا البروتوكول نهجًا تركيبيًا للهلاليات متعددة بولي كربوديميد مع مجموعات معلقة قابلة للتعديل ويستنتج هياكلها الثانوية باستخدام مجهر القوة الذرية. يمكن استخدام الهياكل الناتجة في تطبيقات متنوعة، بما في ذلك أجهزة الاستشعار وناقلات الأدوية.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلوم
- كيمياء البوليمرات
- النانوتكنولوجي
- الهندسة الطبية الحيوية
الخلفية
- يمكن أن تشكل الهلاليات متعددة بولي كربوديميد هياكل ثانوية متنوعة.
- تشمل تقنيات التوصيف مجهر القوة الذرية (AFM) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM).
- تعتمد البنية والمورفولوجيا على التركيب الجزيئي والتركيز والمذيب.
- تشمل التطبيقات المحتملة أجهزة الاستشعار وأنظمة توصيل الأدوية.
هدف الدراسة
- تطوير بروتوكول لتصنيع الهلاليات متعددة بولي كربوديميد.
- تصور الهياكل الثانوية المتكونة من هذه البوليمرات.
- استكشاف التطبيقات المحتملة لهذه الهياكل في مجالات مختلفة.
الطرق المستخدمة
- تصنيع الهلاليات متعددة بولي كربوديميد بمجموعات قابلة للتعديل.
- توصيف الهياكل باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM).
- المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لتحليل المورفولوجيا.
- دراسة تأثير التركيب الجزيئي والمذيب على التجميع.
النتائج الرئيسية
- تصور ناجح لهياكل ثانوية متنوعة، بما في ذلك الألياف والكرات.
- تبين تأثير التركيب الجزيئي والتركيز على المورفولوجيا.
- تحديد التطبيقات المحتملة في أجهزة الاستشعار والمجالات الطبية الحيوية.
- أظهر تنوع التقنية لدعامات مختلفة متعددة بولي كربوديميد.
الخلاصات
- يمكن البروتوكول من تحضير هياكل هلالية متعددة بولي كربوديميد متنوعة.
- يمكن تصميم هذه الهياكل لتطبيقات محددة في التكنولوجيا والطب.
- قد تؤدي الأبحاث الإضافية إلى تحسين وظيفة هذه المواد كمنقلات للأدوية.
الأسئلة المتداولة
Executive Industry Relevance
This protocol enables the rational design of helical polycarbodiimide-based architectures with tunable morphologies, supporting early-stage exploration of polymeric systems for biomedical utility. The ability to control self-assembly through solvent and concentration provides a foundation for predictive material design in drug carrier development. These studies contribute to mechanistic de-risking by establishing structure-property relationships critical for translational continuity in preclinical evaluation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of polymer self-assembly mechanisms to clarify structure-function relationships in soft nanomaterials.
- Operational Value: Provides a reproducible method to generate defined secondary structures for hypothesis testing in polymeric systems.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates concentration-dependent spherical and toroidal morphologies suitable for standardized nanoparticle library preparation.
- Operational Value: Supports assay readiness through spin-coating deposition on silicon wafers for consistent AFM/SEM analysis.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Identifies spherical aggregates as potential drug carriers, enabling evaluation of biocompatibility and loading capacity in preclinical models.
- Operational Value: Establishes solvent-mediated morphology control as a scalable parameter for formulation optimization.
Pipeline & Workflow Integration
The method bridges early polymer synthesis with morphological characterization, informing downstream decisions in nanomaterial selection for drug delivery applications.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis-driven exploration of how polymer architecture influences supramolecular organization.
- Screening: Enables generation of monodisperse nanoparticles via solvent tuning for consistent compound or cargo loading studies.
- Analytics: Relies on AFM and SEM for quantitative morphological readouts that support comparative analysis across conditions.
- Translational Research: Connects nano- and micro-scale assemblies to potential drug delivery utility through morphological validation.
- Enterprise Reuse: The synthetic and assembly protocol is adaptable across polycarbodiimide scaffolds, supporting platform reuse in polymer discovery programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in morphology control through solvent and concentration parameters.
- Operational Value: Standardized spin-coating and purification steps ensure reproducibility across batches.
- Strategic Value: Enables go/no-go decisions on polymeric carriers based on defined nanostructure formation.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of polymeric systems with tunable, biocompatible architectures.
Implementation Considerations
- Expertise in polymer synthesis, including CuAAC click chemistry and ATRP techniques.
- Access to inert atmosphere glove box and high-vacuum drying equipment for catalyst removal.
- Availability of AFM and SEM for nanoscale morphological characterization.
- Solvent system compatibility (chloroform, THF, methanol) must be evaluated for downstream biological applications.
- Purification steps are critical to remove residual copper catalysts that may interfere with biocompatibility assessments.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:09
Synthesis of the (R)- and (S)-series of Ethynylpolycarbodiimides
2:07
Synthesis of the (R)- and (S)-series of Triazole Polycarbodiimides under a "Click" Protocol
3:45
Synthesis of the (R)- and (S)-series of Polycarbodiimide-g-polystyrene Copolymers
4:58
Thin-film Preparation for Tapping Mode Atomic Force Microscopy (TMAFM) Measurements
5:28
Results: Preparation of Self-assembling Secondary Structures from Helical Polycarbodiimides
7:42
Conclusion
