Self-assembling Morphologies Obtained from Helical Polycarbodiimide Copolymers and Their Triazole Derivatives
2017年2月7日
Here, we present a protocol to prepare and visualize secondary structures (e.g., fibers, toroidal architectures, and nano-spheres) derived from helical polycarbodiimides. The morphology characterized by both atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM) was shown to depend on molecular structure, concentration, and the solvent of choice.
该方案的总体目标是展示一种合理的合成方法，用于带有可修饰的悬垂基团的螺旋聚碳二亚胺，并通过原子力显微镜可视化由它们组装的二级结构。这些研究对于开发准备理想架构的实验程序特别感兴趣。然后，这些架构可以用作潜在的传感器、光学开关或生物医学应用。
该技术的主要优点是它可以很容易地应用于不同的聚碳二亚胺支架，以制作特定的组件，例如甜甜圈、带状、纤维、超螺旋、球体等。该技术的含义延伸到使用螺旋聚碳二亚胺支架作为潜在的药物载体。因为这种类似派对的微分子以可控的方式自组装成独特的结构。
要开始此过程，将 1 克 ET 单体和 0.894 克 pH 单体添加到一个干净的 20 毫升闪烁瓶中，该样品瓶在手套箱中装有磁力搅拌棒。然后，向闪烁瓶中加入 0.018 克 BINOL 催化剂。加入大约 3 到 5 毫升无水氯仿，轻轻搅拌以溶解单体和催化剂。
加盖样品瓶后，让反应混合物在 25 摄氏度下搅拌过夜。将聚合物重新溶解在 5 至 10 毫升氯仿中，并在 250 毫升甲醇中重新沉淀以去除残留的催化剂。然后，在高真空下干燥沉淀剂 24 小时以除去甲醇。
在手套箱中，将 5 毫升无水 THF 和磁力搅拌棒添加到含有 0.25 克 R 50 乙炔醇 50 苯酚组合物的闪烁瓶中。然后，向闪烁瓶中加入 0.146 克所需的酰胺。然后，向闪烁瓶中加入 0.022 克碘化铜催化剂。
让溶液搅拌 2 分钟，形成均匀的悬浮液。现在，将 0.713 克 DBU 添加到均质悬浮液中，并在 25 摄氏度下搅拌两个小时。循环反应必须进行 2 小时。
应避免长时间的反应，以防止形成硬凝胶，例如不溶性乳化有机溶剂。从手套箱中取出样品瓶后，取下磁力搅拌棒，将绿色的凝胶状溶液注入 250 毫升含有 0.5 毫升 DBU 的冷甲醇中。使用 15 毫升熔块漏斗过滤收集形成的三唑聚合物，并用 250 毫升甲醇洗涤一次。
重复纯化后，将点击反应产物在高真空下干燥 24 小时，以除去甲醇。在手套箱中，将 0.029 克氯化铜催化剂与 0.1 克宏观引发剂在含有 0.101 克 PMDETA 的闪烁瓶中混合。向样品瓶中加入磁力搅拌棒后，加入 1.51 克新鲜蒸馏的苯乙烯。
然后，加入约 12 毫升无水甲苯以溶解试剂。密封样品瓶并从手套箱中取出后，将其浸入油浴中并提高温度。在通风橱中以所需温度搅拌反应混合物 12 小时。
取下磁力搅拌棒后，将反应混合物倒入 250 毫升含有 0.5 毫升 DBU 的冷甲醇中。然后，使用 15 毫升熔块漏斗过滤收集形成的薄片，并用大约 50 毫升冷甲醇洗涤材料一次。在沉积到硅晶片上之前，通过 0.45 微米 PTFV 针式过滤器过滤每种聚合物储备溶液。
在硅片上沉积 200 微升样品后，立即使用旋涂机用均匀的聚合物膜覆盖整个晶圆表面以进行 AFM 测量。BINAL R 或 S 钛催化剂介导的配位插入聚合导致 R 和 S 系列聚碳二亚胺。这里显示了在 ATRP 反应中用作宏量引发剂以生成聚碳二亚胺-g-聚苯乙烯或 PSPCD 的三唑聚碳二亚胺的合成。
大分子可以在薄膜中自组装形成各种复杂的超分子结构，例如纤维、环状纤维、超螺旋、纤维网络、带状、蠕虫状聚集体、环形结构和陨石坑。这里显示了三唑大引发剂的分子模型。炔烃 PCD 的 AFM 图像证实了纤维状形态的形成。
通常，稀释储备液会导致形成的聚集形态的大小减小。此处显示了由 PSPCD 形成的形态，由氯仿原液旋涂而成。与氯仿中的炔烃聚碳二亚胺聚集行为不同，检查 PSPCD 发现火山口状组装体和纳米级脉络膜结构是主要基序。
PSPCD 的 AFM 图像表明在应用单一或二元溶剂系统进行样品沉积时形成离散的纳米球，此处显示了颗粒大小与浓度相关的颗粒。此处显示了将单个大分子组装成与 SEM 测量的形态紧密匹配的球形纳米颗粒的过程。值得注意的是，更大的微米级聚集体可能会受到聚集在一起的单个纳米颗粒的影响。
旋涂方法代表了一种基于乙炔聚碳二亚胺及其各自的聚苯乙烯衍生物可重复制备多种类型形态的便捷方法，包括纤维、超螺旋、甜甜圈状结构、微球。在硅片上制备聚碳二亚胺薄膜时，应将其风干数小时以进行 AMF 成像。这一次，我们将促进这些大分子自组织成特定的可识别形态。
作为研究的一个重要实际发现，二级结构的形成受到浓度和溶剂的强烈影响。按照此程序，可以执行其他方法，例如 TEM、SEM 和 XRD。这使我们能够提出与螺旋聚碳二亚胺结构相关的其他问题。
我们的目标是开发具有精确控制的 kyro 结构和可调特性的材料。该方法相对于聚碳二亚胺的未来应用可能包括开发 kyro 传感器或构建球形聚集体作为药物递送的载体。此外，我们可以设计新型分子支架，这些支架具有明确的微结构，显示出有趣的 kyro 光学开关特性
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概述
本方案展示了一种合成具有可修饰侧链基团的螺旋型聚碳二亚胺的方法，并通过原子力显微镜对其二级结构进行可视化。所获得的结构可用于多种应用，包括传感器和药物载体。
关键研究组成部分
科学领域
- 高分子化学
- 纳米技术
- 生物医学工程
背景
- 聚碳二亚胺螺旋体可形成多种多样的二级结构。
- 表征技术包括原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）。
- 结构与形貌取决于分子结构、浓度和溶剂。
- 潜在应用包括传感器和药物递送系统。
研究目的
- 建立合成螺旋状聚碳二亚胺的实验方案。
- 观察这些聚合物形成的二级结构。
- 探索这些结构在不同领域的潜在应用。
使用的方法
- 合成带有可修饰基团的螺旋聚碳二亚胺。
- 利用原子力显微镜（AFM）对结构进行表征。
- 采用扫描电子显微镜（SEM）进行形貌分析。
- 研究分子结构和溶剂对组装行为的影响。
主要结果
- 成功观察到多种二级结构，包括纤维和球状结构。
- 证实了分子结构和浓度对形貌的影响。
- 确定了其在传感器和生物医学领域的潜在应用。
- 展示了该技术适用于不同聚碳二亚胺支架的 versatility。
结论
- 该方案可实现多种螺旋状聚碳二亚胺结构的制备。
- 这些结构可根据技术与医学领域的特定应用需求进行定制。
- 进一步的研究可能提升这些材料作为药物载体的功能性。
常见问题
行业重要性概述
该方案能够实现基于螺旋聚碳二亚胺的结构体系的理性设计，并调控其形貌，从而支持聚合物系统在生物医学应用中的早期探索。通过溶剂和浓度控制自组装过程的能力，为药物载体开发中的可预测性材料设计奠定了基础。这些研究通过建立结构-性能关系，为临床前评估中的转化连续性提供了关键的机制性风险降低依据。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：能够探究聚合物自组装机制，以阐明软纳米材料中的结构-功能关系。
- 操作价值：提供一种可重复的方法，用于生成明确的二级结构，以在聚合物体系中进行假设检验。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：可生成具有浓度依赖性的球形和环形结构，适用于标准化纳米颗粒库的制备。
- 操作价值：通过在硅片上进行旋涂沉积，支持后续检测的准备工作，实现稳定可靠的原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）分析。
转化与临床前研究
- 科学价值：将球形聚集体确定为潜在的药物载体，可在临床前模型中评估其生物相容性和载药能力。
- 操作价值：建立溶剂介导的形貌控制作为可放大的制剂优化参数。
流程与工作流整合
该方法将早期聚合物合成与形貌表征相结合，为药物递送应用中的纳米材料筛选提供依据。
- 发现生物学：促进以假设驱动的方式探索聚合物结构如何影响超分子组装。
- 筛选：通过调节溶剂实现单分散纳米颗粒的制备，从而支持一致的化合物或载药量研究。
- 分析：依赖原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）提供定量的形态学数据，支持不同条件间的比较分析。
- 转化研究：通过形态学验证，将纳米级和微米级组装体与潜在的药物递送应用相连接。
- 企业级复用：该合成与组装方案可适用于多种聚碳二亚胺骨架，支持在聚合物发现项目中进行平台化重复使用。
运营与企业影响
- 科学价值：通过溶剂和浓度参数实现对形貌控制的可预测性。
- 操作价值：标准化的旋涂和纯化步骤确保不同批次间的可重复性。
- 战略价值：基于明确的纳米结构形成情况，支持对聚合物载体进行可行或终止的决策。
- 组合影响：支持对具有可调、生物相容性结构的聚合物体系进行基于风险调整的优先级排序。
实施注意事项
- 具备聚合物合成方面的专业知识，包括CuAAC点击化学和ATRP技术。
- 可使用惰性气氛手套箱和高真空干燥设备以去除催化剂。
- 具备原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM），可用于纳米尺度形貌表征。
- 必须评估溶剂体系（氯仿、四氢呋喃、甲醇）在后续生物应用中的相容性。
- 纯化步骤至关重要，以去除可能干扰生物相容性评估的残留铜催化剂。
生物制药常见问题
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
