从螺旋聚碳化二亚胺共聚物及其三唑衍生物获得自组装形貌
February 7th, 2017
在这里，我们提出了一个协议，准备和可视化的二级结构（ 例如 ，纤维，环形架构和纳米球）的螺旋聚碳化二亚胺的。特征在于这两个原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）的形态示出依赖于分子结构，浓度和所选择的溶剂。
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
本协议展示了一种合成可修饰悬挂基团的螺旋型多碳二亚胺的方法，并使用原子力显微镜可视化其次级结构。所得结构可应用于多种应用，包括传感器和药物载体。
关键研究组成部分
科学领域
- 聚合物化学
- 纳米技术
- 生物医学工程
背景
- 螺旋型多碳二亚胺可形成多样的次级结构。
- 表征技术包括原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）。
- 结构和形态依赖于分子结构、浓度和溶剂。
- 潜在应用包括传感器和药物输送系统。
研究目的
- 开发合成螺旋型多碳二亚胺的协议。
- 可视化这些聚合物形成的次级结构。
- 探索这些结构在各个领域的潜在应用。
使用的方法
- 合成具有可修饰基团的螺旋型多碳二亚胺。
- 使用原子力显微镜（AFM）表征结构。
- 扫描电子显微镜（SEM）用于形态分析。
- 研究分子结构和溶剂对组装的影响。
主要结果
- 成功可视化各种次级结构，包括纤维和球体。
- 证明了分子结构和浓度对形态的影响。
- 识别了在传感器和生物医学领域的潜在应用。
- 展示了该技术对不同多碳二亚胺支架的通用性。
结论
- 该协议能够制备多样的螺旋型多碳二亚胺结构。
- 这些结构可以针对技术和医学中的特定应用进行定制。
- 进一步的研究可能会提高这些材料作为药物载体的功能。
常见问题
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
