Methodenartikel

Nanosponge Tunability in grootte en Crosslinking dichtheid

DOI:

10.3791/56073

⸱

4 augustus 2017

 , 
1Chemistry Department, Vanderbilt University

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit artikel beschrijft een proces voor het afstemmen van de grootte en crosslinking dichtheid van covalent kruisverwijzende nanodeeltjes van lineaire polyesters met hanger functionaliteit. Door afstemming synthese parameters (polymeer moleculair gewicht, hanger functionaliteit opneming en simulaties van de crosslinker), worden een nanoparticle van de gewenste grootte en crosslinking dichtheid bereikt voor drug delivery toepassingen.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Beschrijven we een protocol voor de synthese van lineaire polyesters met hanger epoxide functionaliteit en hun integratie in een nanosponge met gecontroleerde afmetingen. Deze benadering begint met de synthese van een functionalized lacton die is de sleutel tot het functionalization van de tegenhanger van het resulterende polymeer. Valerolactone (VL) en allyl-valerolactone (AVL) zijn vervolgens copolymerized met ring-opening polymerisatie. Na polymerisatie wijziging wordt vervolgens gebruikt om te installeren een epoxide-groep op sommige of alle van de hanger allyl-groepen. Epoxy-amine chemie is werkzaam aan formulier nanodeeltjes in een verdunde oplossing van polymeer zowel klein molecuul diamine crosslinker op basis van de gewenste nanosponge grootte en crosslinking dichtheid. Nanosponge maten kunnen worden gekarakteriseerd door Transmissie Electronenmicroscopie (TEM) imaging om de dimensie en de distributie te bepalen. Deze methode biedt een weg die zeer afstembare polyesters afstembare nanodeeltjes, die kan worden gebruikt voor de inkapseling van de drug van de kleine molecuul kunnen maken. Deze deeltjes zijn vanwege de aard van de ruggengraat, hydrolytisch en enzymatisch afbreekbaar voor een gecontroleerde afgifte van een breed scala van hydrofobe kleine moleculen.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Juist het afstemmen van de grootte en crosslinking dichtheid van nanodeeltjes gebaseerd op intermoleculaire crosslinking is van groot belang te beïnvloeden en gids van de drug release-Profiel van deze nanosystems1. Ontwerpen nanosponge tunability, dat wil zeggen, voorbereiding van deeltjes van verschillende netwerk dichtheden, is afhankelijk van de functionaliteit van de tegenhanger van het polymeer voorloper en de equivalenten van de hydrofiele crosslinker opgenomen. In deze benadering is de concentratie van de voorloper en crosslinker in het oplosmiddel belangrijk om formulier nanodeeltjes van een discrete formaat in plaats van een bulk-gel. Met behulp van spectroscopie van kwantitatieve nucleaire magnetische resonantie (NMR) als een karakterisering techniek zorgt voor de precieze bepaling van opgenomen hanger functionaliteit en polymeer molecuulgewicht. Zodra nanoparticles zijn gevormd, kunnen worden geconcentreerd en ontbindend in organics zonder het karakter van een nanogel.

Recente werkzaamheden in nanoparticle drug levering heeft gericht op het gebruik van poly (melkzuur-co-glycolzuur) (PLGA) zelf geassembleerd nanodeeltjes2,3,4,5,6. PLGA heeft afbreekbaar ester verbanden waardoor het geschikt voor drug delivery toepassingen en wordt vaak gecombineerd met poly(ethylene glycol) (PEG) als gevolg van zijn onzichtbare eigenschappen7. Echter, vanwege de zelf samengestelde aard van PLGA deeltjesvorming, de deeltjes kunnen niet worden solubilized in organische verbindingen voor verdere functionalization. In tegenstelling tot PLGA nanodeeltjes biedt de voorgestelde methode covalente crosslinking vormen een nanoparticle met de gedefinieerde grootte en morfologie, die stabiel in organische verbindingen en degraderen in waterige oplossingen1. Voordelen van deze aanpak zijn de mogelijkheid om verder chemisch functionalize het oppervlak van de nanosponge8, en de stabiliteit in organische oplosmiddelen kan worden gebruikt voor de post laden van de deeltjes met farmaceutische stoffen1,9. Met deze methode kan de inkapseling van hydrofobe kleine moleculen door neerslag in waterige media worden bereikt. De hydrophobicity van de polyester ruggengraat samen met de hydrofiele korte crosslinker geeft deze deeltjes een amorfe karakter op lichaamstemperatuur. Bovendien kan het deeltje na drug laden, fijne schorsingen vormen in waterige media als direct ingespoten in vivo. Het is ons doel bij deze werkzaamheden te evalueren van de parameters voor de synthese van deze polyester nanosponges en die zijn van vitaal belang voor het ontwerp en de controle van de grootte en morfologie bepalen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Synthese en karakterisering van AVL

  1. Plaats een magnetische roerlat binnen een 500 mL rondbodemfles met twee halzen (Fles 1) en sluit af met een rubberen septum van geschikte grootte en staaldraad. Vlam droog de fles om vocht te verwijderen door te purgen met stikstofgas aangesloten via een inlaatnaald en open uitlaatnaald in het septum, terwijl een butaanbrander wordt gebruikt om de buitenkant van de fles voorzichtig te verwarmen door de vlam langs het oppervlak te bewegen.
    1. Verwarm de hele fles door de vlam over het oppervlak te bewegen totdat er geen vocht meer is dat het binnenste van de fles troebel maakt. Verwijder de vlam en laat de fles afkoelen tot kamertemperatuur terwijl de stikstofstroom gedurende de reactie wordt voortgezet.
  2. Voeg 156,25 mL anhydrisch tetrahydrofuraan (THF) via een 30 mL spuit toe aan Fles 1. Koel Fles 1 tot -78 °C met een dry ice/aceton bad. Controleer de temperatuur met een thermometer gedurende de reactie en voeg dry ice toe zoals nodig is om -78 °C te handhaven. Begin met roeren van de magnetische roerlat met behulp van een magnetische roerplaat om een zachte vortex te creëren.
  3. Voeg N,N-diisopropylethylamine (DIPA) (3,30 mL, 2,3 x 10-2 mol) toe via een 5 mL spuit, gevolgd door de druppelsgewijze toevoeging van 2,5 M n-butyllithium (9,34 mL, 2,3 x 10-2 mol) via een 10 mL glazen spuit uitgerust met een naaldvergrendelingsmechanisme en metalen naald aan Fles 1. Blijf roeren met behulp van een magnetische roerplaat gedurende 15 min bij -78 °C.
  4. Vlam droog (zoals beschreven in stap 1.1) en purgeer met argongas (zoals beschreven in stap 1.1 met stikstofgas) een 100 mL rondbodemfles (Fles 2). Verwijder de argongasinlaat en -uitlaat tegelijkertijd zodra de fles koel genoeg is om aan te raken. Voeg 56 mL anhydrisch THF toe via een 30 mL spuit en γ-valerolacton (VL) (1,97 mL, 2,1 x 10-2 mol) via een 5 mL spuit.
  5. Voeg de oplossing in Fles 2 toe aan Fles 1 via een kleine canule druppelsgewijs gedurende 45 min terwijl continu wordt geroerd via een magnetische roerlat. Zodra Fles 2 leeg is, verwijder de canule en laat Fles 1 15 min bij -78 °C blijven roeren.
  6. Vlam droog (zoals beschreven in stap 1.1) en purgeer met argongas (zoals beschreven in stap 1.1 met stikstofgas) een 25 mL rondbodemfles (Fles 3). Verwijder de argongasinlaat en -uitlaat tegelijkertijd zodra de fles koel genoeg is om aan te raken, om een positieve druk binnen de fles te behouden. Voeg allylbromide (2,02 mL, 2,3 x 10-2 mol) en hexamethylfosforamide (HMPA) (4,43 mL, 2,5 x 10-2 mol) toe, elk via een 5 mL spuit.
  7. Voeg Fles 3 toe aan Fles 1 via een kleine canule druppelsgewijs. Zodra Fles 3 leeg is, verwijder de canule.
    1. Verwijder zoveel mogelijk dry ice en koud aceton uit het dry ice/aceton bad waarin Fles 1 is ondergedompeld met behulp van een schep en plastic beker. Vervang door aceton op kamertemperatuur om het bad te verhogen tot -40 °C en laat Fles 1 2 uur blijven roeren terwijl de temperatuur wordt gecontroleerd. Als de temperatuur boven -40 °C stijgt, voeg dan een paar stukken dry ice toe om het aceton te koelen.
    2. Verwarm tot -10 °C door het koude aceton en dry ice te verwijderen en te vervangen door aceton op kamertemperatuur.
  8. Verwijder het septum van Fles 1 en blus de reactie met een 150 mL verzadigde ammoniumchloride-oplossing terwijl geroerd wordt via een magnetische roerlat. Plaats Fles 1 in een vriezer bij -20 °C voor opslag gedurende de nacht.
  9. Verwijder Fles 1 uit de vriezer en laat opwarmen tot kamertemperatuur. Giet de oplossing van Fles 1 in een 500 mL scheidingstrechter.
  10. Voeg 50 mL dichloormethaan (DCM) toe, sluit de scheidingstrechter en roer zachtjes om de DCM en het waterige/THF-mengsel te mengen om het product in de organische laag te extraheren. Verzamel de organische laag in een 500 mL beker met een geschikte grootte magnetische roerlat door de stop van de scheidingstrechter te openen en zet apart. Herhaal twee keer.
  11. Verzamel alle organische stoffen in dezelfde beker en roer met magnesiumsulfaat (om eventueel resterend water te verwijderen) met behulp van een magnetische roerplaat totdat het magnesiumsulfaat niet langer klontert wanneer het aan de oplossing wordt toegevoegd. Gooi het waterige afval weg.
  12. Verwijder het vaste magnesiumsulfaat uit de organische productoplossing door een filterpapier in een glazen trechter te gebruiken en verzamel de organische stoffen in een 250 mL rondbodemfles. Spoel het filterpapier en het vaste magnesiumsulfaat af met overtollig DCM om ervoor te zorgen dat al het product wordt verzameld.
  13. Verwijder het oplosmiddel van het product door middel van roterende verdamping terwijl verwarmd op 30 °C en met behulp van een wateraspirator als vacuümbron.
  14. Renpureer het ruwe product door middel van kolomchromatografie10 met behulp van silicagel als stationaire fase en eluerend beginnend met 3% ethylaceta

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Om te beoordelen van de relatie tussen de parameters van de synthese van de nanosponge en de resulterende grootte, is de concentratie en hanger functionaliteit van elke polymeer voorloper belangrijk. In Figuur 1, wordt een regeling van de successfulsynthetic van de nanosponges uitgevoerd onder de voorwaarden van de Terugvloeiing na de integratie van beide voorloper polymeer en diamine crosslinker in DCM voor 12u. De concentratie van epoxiden in de oplossing i...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Verkrijgen van reproduceerbaar nanosponge maten is essentieel in drug levering toepassingen. Meerdere parameters in de polymerisatie en nanosponge synthese van invloed op de grootte en de dwarslijn dichtheid van de resulterende deeltje. Drie belangrijke parameters werden vastgesteld in onze analyse: polymeer moleculair gewicht, epoxide hanger functionaliteit en simulaties van de crosslinker. Om te produceren een reeks molecuulgewichten en epoxide functionaliteiten voor nanosponge synthese, moet de stoichiometrie van de V...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

LK is dankbaar voor de financiering van de National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (DGE-1445197) en de Vanderbilt Universiteit scheikunde departement. LK en EH bedank de financiering voor het Osiris TEM instrument (NSF EPS-1004083).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
2,2'-(Ethylenedioxy)bis(ethylamine)Sigma-Aldrich385506-100ML
3-methyl-1-butanolSigma-Aldrich309435-100MLwatervrij, ≥99%
AcetoneSigma-Aldrich179124-4L
Allyl bromideSigma-AldrichA29585-5G≥99%
Ammonium chlorideFisher ScientificA661-500verzadigde oplossing in DI-water
Cell culture waterSigma-AldrichW3500-500MLGefilterd door 0,45 μm spuitfilter
Dichloromethane (DCM)Sigma-Aldrich270997-100MLwatervrij, ≥99%, bevat 40 - 150 ppm amyleen als stabilisator
Ethyl AcetateFisher ScientificE145SK-4
EZFlow 0,2 μm spuitfilterFoxx Life Sciences386-2116-OEMHydrofiel PTFE, 13 mm
EZFlow 0,45 μm spuitfilterFoxx Life Sciences386-3126-OEMHydrofiel PTFE, 25 mm
Fisherbrand wegwerpbare borosilicaatglazen proefbuisjes met platte puntFisher Scientific14-961-31
Fisherbrand microcentrifugebuisjesFisher Scientific14-666-3181,5 mL
Hamilton Microliterspuit, 100 μLHamilton Company80600Model 710 N SYR, Cemented NDL, 22s ga, 2 in, puntstijl 2
HexamethylfosforamideSigma-AldrichH11602-100G≥99%, bevat ≤1.000 ppm propyleenoxide als stabilisator
HexanesFisher ScientificH292-4
Magnesiumsulfaat watervrijFisher ScientificM65-500
Meta-chloorperoxybenzoëzuurSigma-Aldrich273031-100GGezuiverd tot ≥99% door bufferwassing
Methanol (MeOH)Sigma-Aldrich322415-100MLwatervrij, ≥99%
N-butyllithiumoplossingSigma-Aldrich230707-100ML2,5 M in hexanes
N,N-diisopropylethylamineSigma-Aldrich550043-500ML≥99%
Parafilm MSigma-AldrichP7793-1EA
PELCO Pro Reverse (zelfsluitende) pincettenTed Pella, Inc.5375-NM
FosfowolfraamzuurhydraatAlfa Aesar40116
Q55 SonicatorQsonicaQ55-11055 Watt, 20 kHz
SiliaMetS CysteineSilicycleR80530B-10g
SnakeSkin dialyseklemmenThermo Scientific68011
SnakeSkin dialyseslang, 10K MWCOThermo Scientific68100
NatriumbicarbonaatFisher Scientific5233-500verzadigde oplossing in DI-water
TEM-rasterTed Pella, Inc.01822-FUltradun koolstof Type-A, 400 mesh, koper, geschatte rastergatgrootte: 42 µm
Tetrahydrofuran (THF)Sigma-Aldrich401757-1LWatervrij, ≥99,9%, remmervrij
Tin(II) trifluormethylsulfonaatSigma-Aldrich388122-1G
Vortex-Genie 2Scientific IndustriesSI-0236
Whatman filterpapier, graad 1Fisher Scientific09-805HCirkels, 185 mm
δ-valerolactonSigma-Aldrich389579-100MLGepuurd door vacuümdestillatie

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. van der Ende, A. E., Sathiyakumar, V., Diaz, R., Hallahan, D. E., Harth, E. Linear release nanoparticle devices for advanced targeted cancer therapies with increased efficacy. Polym Chem. 1 (1), 93(2010).
  2. Sharma, S., Parmar, A., Kori, S., Sandhir, R. PLGA-based nanoparticles: A new paradigm in biomedical applications. Trends Anal Chem. 80, 30-40 (2016).
  3. Cao, L. B., Zeng, S., Zhao, W. Highly Stable PEGylated Poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) Nanoparticles for the Effective Delivery of Docetaxel in Prostate Cancers. Nanoscale Res Lett. 11 (1), 305(2016).
  4. Chelopo, M. P., Kalombo, L., Wesley-Smith, J., Grobler, A., Hayeshi, R. The fabrication and characterization of a PLGA nanoparticle-Pheroid® combined drug delivery system. J Mater Sci. 52 (6), 3133-3145 (2016).
  5. Guan, Q., et al. Preparation, in vitro and in vivo evaluation of mPEG-PLGA nanoparticles co-loaded with syringopicroside and hydroxytyrosol. J Mater Sci Mater Med. 27 (2), 24(2016).
  6. Cannava, C., et al. Nanospheres based on PLGA/amphiphilic cyclodextrin assemblies as potential enhancers of Methylene Blue neuroprotective effect. RSC Adv. 6, 16720-16729 (2016).
  7. Locatelli, E., Franchini, M. C. Biodegradable PLGA-b-PEG polymeric nanoparticles: synthesis, properties, and nanomedical applications as drug delivery system. J Nanopart Res. 14 (12), (2012).
  8. van der Ende, A. E., Croce, T., Hamilton, S., Sathiyakumar, V., Harth, E. M. Tailored polyester nanoparticles: post-modification with dendritic transporter and targeting units via reductive amination and thiol-ene chemistry. Soft Matter. 5 (7), 1417(2009).
  9. Lockhart, J. N., Stevens, D. M., Beezer, D. B., Kravitz, A., Harth, E. M. Dual drug delivery of tamoxifen and quercetin: Regulated metabolism for anticancer treatment with nanosponges. J Control Release. 220 (Pt. B), 751-757 (2015).
  10. Shriner, R. L., Hermann, C. K. F., Morrill, T. C., Curtin, D. Y., Fuson, R. C. The Systematic Identification of Organic Compounds. , 8th ed, Wiley. (2004).
  11. Derome, A. E. Modern NMR Techniques for Chemistry Research. , Pergamon Press. (1987).
  12. Williams, D. B., Barry Carter, C. Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science. , 2nd ed, Springer. (2009).
  13. van der Ende, A. E., Kravitz, E. J., Harth, E. M. Approach to Formation of Multifunctional Polyester Particles in Controlled Nanoscopic Dimensions. J Am Chem. Soc. 130 (27), 8706-8713 (2008).
  14. Stevens, D. M., Watson, H. A., LeBlanc, M. A., Wang, R. Y., Chou, J., Bauer, W. S., Harth, E. M. Practical polymerization of functionalized lactones and carbonates with Sn(OTf)2 in metal catalysed ring- opening polymerization methods. Polym Chem. 4, 2470-2474 (2013).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Synthese van nanosponzenpolymeer copolymerisatieepoxide modificatiecontrole van crosslinkingsdichtheidtransmissie elektronenmicroscopiedialysezuiveringdeeltjesgrootteanalysehydrolytische afbreekbaarheidinkapseling van geneesmiddelenringopeningspolymerisatie

Gerelateerde artikelen