Morfologie autoassemblanti Ottenuto da elicoidali policarbodiimide copolimeri e loro derivati triazolici
February 7th, 2017
Qui, vi presentiamo un protocollo per preparare e visualizzare le strutture secondarie (ad esempio, le fibre, le architetture toroidali, e nano-sfere) derivati da policarbodiimidi elicoidali. La morfologia caratterizzata da microscopia a forza atomica (AFM) e microscopia elettronica a scansione (SEM) è stato mostrato dipendere struttura molecolare, concentrazione, ed il solvente di scelta.
L'obiettivo generale di questo protocollo è quello di dimostrare un approccio sintetico razionale a policarbodiimmidi elicoidali contenenti gruppi pendenti modificabili e visualizzare le strutture secondarie assemblate da essi mediante microscopia a forza atomica. Questi studi sono di particolare interesse per sviluppare procedure sperimentali per la preparazione di architetture desiderabili. Queste architetture possono quindi essere sfruttate come potenziali sensori, interruttori ottici o applicazioni biomediche.
Il vantaggio principale di questa tecnica è che può essere facilmente applicata a diversi scaffold di policarbodiimmide per realizzare assemblaggi specifici, come ciambelle, nastri, fibre, supereliche, sfere e così via. L'implicazione di questa tecnica si estende all'utilizzo di scaffold elicoidali in policarbodiimmide come potenziali vettori di farmaci. Perché queste micromolecole simili a feste si autoassemblano in un'architettura unica in modo controllabile.
Per iniziare questa procedura, aggiungere un grammo di monomero ET e 0,894 grammi di monomero pH a una fiala di scintillazione pulita da 20 millilitri contenente un'ancoretta magnetica in una scatola a guanti. Quindi, aggiungere 0,018 grammi di catalizzatore BINOL alla fiala di scintillazione. Aggiungere circa tre-cinque millilitri di cloroformio anidro e mescolare delicatamente per sciogliere sia il monomero che il catalizzatore.
Dopo aver tappato la fiala, lasciare agitare la miscela di reazione per una notte a 25 gradi Celsius. Risciogliere il polimero in cinque-dieci millilitri di cloroformio e riprecipitarlo in 250 millilitri di metanolo per rimuovere il catalizzatore residuo. Quindi, asciugare il precipitante sotto vuoto per 24 ore per rimuovere il metanolo.
Nel vano portaoggetti, aggiungere cinque millilitri di THF anidro e un'ancoretta magnetica a una fiala di scintillazione contenente 0,25 grammi di composizione fenolica R 50 etinolo 50. Quindi, aggiungere 0,146 grammi dell'ammide desiderata al flaconcino di scintillazione. Successivamente, aggiungere 0,022 grammi di catalizzatore di ioduro di rame alla fiala di scintillazione.
Lasciare agitare la soluzione per due minuti in modo da formare una sospensione omogenea. Ora, aggiungi 0,713 grammi di DBU alla sospensione omogenea e lasciala agitare per due ore a 25 gradi Celsius. La reazione ciclica deve essere condotta per due ore.
Evitare lunghi tempi di reazione per prevenire la formazione di gel duri, come i solventi organici insolubili e inemulsionanti. Dopo aver rimosso la fiala dalla scatola a guanti, rimuovere l'ancoretta magnetica e iniettare la soluzione gelatinosa verdastra in 250 millilitri di metanolo freddo, contenente 0,5 millilitri di DBU. Raccogliere il polimero triazolico formato mediante filtrazione utilizzando un imbuto frittato da 15 millilitri e lavarlo una volta con 250 millilitri di metanolo.
Dopo aver ripetuto la purificazione, essiccare il prodotto della reazione a scatto sotto vuoto per 24 ore per rimuovere il metanolo. Nel vano portaoggetti, mescolare 0,029 grammi di catalizzatore di cloruro di rame con 0,1 grammi di macro-iniziatore in una fiala a scintillazione contenente 0,101 grammi di PMDETA. Dopo aver aggiunto un'ancoretta magnetica alla fiala, aggiungere 1,51 grammi di stirene appena distillato.
Quindi, aggiungere circa 12 millilitri di toluene anidro per sciogliere i reagenti. Una volta sigillata la fiala e tolta dalla glove box, immergerla in un bagno d'olio e aumentare la temperatura. Mescolare la miscela di reazione alla temperatura desiderata per 12 ore in una cappa aspirante.
Dopo aver rimosso l'ancoretta magnetica, versare la miscela di reazione in 250 millilitri di metanolo freddo, contenente 0,5 millilitri di DBU. Quindi, raccogliere i fiocchi formati mediante filtrazione, utilizzando un imbuto a frittelle da 15 millilitri, e lavare il materiale una volta con circa 50 millilitri di metanolo freddo. Filtrare ogni soluzione madre polimerica attraverso un filtro per siringa PTFV da 0,45 micrometri prima della deposizione su un wafer di silicio.
Immediatamente dopo aver depositato 200 microlitri di campione sul wafer di silicio, utilizzare una macchina di rivestimento a rotazione per coprire l'intera superficie del wafer con un film polimerico uniforme per le misure AFM. Qui è mostrata la polimerizzazione per inserzione di coordinazione mediata dal catalizzatore di titanio BINAL R o S che porta alle serie R e S di policarbodiimmidi. Qui viene mostrata la sintesi dei policarbodiimmidi triazolici utilizzati come macro-iniziatori nella reazione ATRP per produrre policarbodiimmide-g-polistirene, o PSPCD.
Le macromolecole possono auto-assemblarsi in un film sottile per formare una varietà di complesse architetture super-molecolari, come fibre, fibre ad anello, supereliche, reti fibrose, nastri, aggregati simili a vermi, strutture toroidali e crateri. Qui è mostrato un modello molecolare del macro-iniziatore triazolico. Le immagini AFM delle PCD alchine confermano la formazione di morfologie simili a fibre.
In generale, la diluizione delle soluzioni stock ha comportato una diminuzione delle dimensioni delle morfologie aggregate formate. Qui sono mostrate le morfologie formate da PSPCD, rivestite in spin da cloroformio. A differenza dei comportamenti di aggregazione di policarbodiimmide alchinici nel cloroformio, l'esame dei PSPCD ha rivelato sia assemblaggi simili a crateri che architetture coroideali di dimensioni nanometriche come motivi predominanti.
Qui sono mostrate le immagini AFM dei PSPCD indicative della formazione di nanosfere discrete quando si applica un sistema solvente singolo o binario per la deposizione del campione, con dimensioni delle particelle dipendenti dalla concentrazione. Qui viene mostrato l'assemblaggio delle singole macromolecole in nanoparticelle sferiche che corrispondono strettamente alle morfologie misurate al SEM. Sorprendentemente, gli aggregati di dimensioni maggiori di micron possono essere compromessi da singole nanoparticelle agglomerate insieme.
Il metodo dello spin-coating rappresenta un modo conveniente per realizzare in modo riproducibile più morfologie di tipo, tra cui fibre, supereliche, architetture a ciambella, microsfere, basate su policarbodiimmidi di etinolo e i rispettivi derivati del polistirene. Durante la preparazione di film di policarbodiimmide su wafer di silicio, questi devono essere asciugati all'aria per alcune ore per l'imaging AMF. Questa volta faciliteremo l'auto-organizzazione di queste macromolecole in specifiche morfologie identificabili.
E un importante risultato pratico degli studi è che la formazione di strutture secondarie è fortemente influenzata dalla concentrazione e dal solvente. Seguendo questa procedura, è possibile eseguire altri metodi, come TEM, SEM e XRD. Questo ci permette di porre ulteriori domande relative alla struttura delle policarbodiimmidi elicoidali.
Il nostro obiettivo è quello di sviluppare materiali con architetture chiro-controllate con precisione e proprietà sintonizzabili. Le applicazioni future di questo metodo, per quanto riguarda le policarbodiimmidi, potrebbero includere lo sviluppo di sensori kyro o la costruzione di aggregati sferici come vettori per la somministrazione di farmaci. Inoltre, siamo in grado di progettare nuovi scaffold molecolari che possiedono microstrutture definite che mostrano interessanti proprietà di commutazione chiro-ottica
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Panoramica
Questo protocollo dimostra un approccio sintetico agli elicoidali policarbodiimmidi con gruppi pendenti modificabili e visualizza le loro strutture secondarie utilizzando la microscopia a forza atomica. Le architetture risultanti possono essere utilizzate in varie applicazioni, inclusi sensori e trasportatori di farmaci.
Componenti principali dello studio
Area di Scienza
- Chimica dei Polimeri
- Nanotecnologia
- Ingegneria Biomedica
Sfondo
- Gli elicoidali policarbodiimmidi possono formare diverse strutture secondarie.
- Le tecniche di caratterizzazione includono la microscopia a forza atomica (AFM) e la microscopia elettronica a scansione (SEM).
- La struttura e la morfologia dipendono dalla struttura molecolare, dalla concentrazione e dal solvente.
- Le potenziali applicazioni includono sensori e sistemi di consegna dei farmaci.
Obiettivo dello Studio
- Sviluppare un protocollo per la sintesi di policarbodiimmidi elicoidali.
- Visualizzare le strutture secondarie formate da questi polimeri.
- Esplorare le potenziali applicazioni di queste strutture in vari campi.
Metodi Utilizzati
- Sintesi di policarbodiimmidi elicoidali con gruppi modificabili.
- Caratterizzazione delle strutture utilizzando la microscopia a forza atomica (AFM).
- Microscopia elettronica a scansione (SEM) per l'analisi della morfologia.
- Indagine sull'influenza della struttura molecolare e del solvente sull'assemblaggio.
Risultati Principali
- Visualizzazione di successo di varie strutture secondarie, incluse fibre e sfere.
- Dimostrato l'impatto della struttura molecolare e della concentrazione sulla morfologia.
- Identificato potenziali applicazioni in sensori e campi biomedicali.
- Mostrato la versatilità della tecnica per diversi scaffold di policarbodiimmidi.
Conclusioni
- Il protocollo consente la preparazione di diverse strutture elicoidali di policarbodiimmidi.
- Queste strutture possono essere adattate per applicazioni specifiche in tecnologia e medicina.
- Ulteriori ricerche potrebbero migliorare la funzionalità di questi materiali come trasportatori di farmaci.
Domande Frequenti
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
