Samoorganizujące się morfologie otrzymane z helikalnych kopolimerów polikarbodimidu i ich pochodnych triazolowych
February 7th, 2017
Tutaj prezentujemy protokół do przygotowania i wizualizacji struktur drugorzędnych (np. włókien, architektur toroidalnych i nanosfer) pochodzących z polikarmidów spiralnych. Wykazano, że morfologia charakteryzująca się zarówno mikroskopią sił atomowych (AFM), jak i skaningową mikroskopią elektronową (SEM) zależy od struktury molekularnej, stężenia i wybranego rozpuszczalnika.
Ogólnym celem tego protokołu jest zademonstrowanie racjonalnego podejścia syntetycznego do spiralnych polikardiamidów zawierających modyfikowalne grupy wisiorków i wizualizacja złożonych z nich struktur drugorzędowych za pomocą mikroskopii sił atomowych. Badania te są szczególnie interesujące w celu opracowania eksperymentalnych procedur przygotowania pożądanych architektur. Architektury te mogą być następnie wykorzystywane jako potencjalne czujniki, przełączniki optyczne lub zastosowania biomedyczne.
Główną zaletą tej techniki jest to, że można ją łatwo zastosować do różnych rusztowań polikarbodimidowych w celu wykonania określonych zespołów, takich jak pączki, wstążki, włókna, superhelisy, kule i tak dalej. Implikacje tej techniki rozciągają się w kierunku wykorzystania spiralnego rusztowania z polikarmodiimidu jako potencjalnych nośników leków. Ponieważ te podobne do imprezy mikromolekuły same łączą się w unikalną architekturę w kontrolowany sposób.
Aby rozpocząć tę procedurę, dodaj jeden gram monomeru ET i 0,894 grama monomeru pH do czystej 20-mililitrowej fiolki scyntylacyjnej zawierającej mieszadło magnetyczne w schowku na rękawiczki. Następnie dodaj 0,018 grama katalizatora BINOL do fiolki scyntylacyjnej. Dodaj około trzech do pięciu mililitrów bezwodnego chloroformu i delikatnie wymieszaj, aby rozpuścić zarówno monomer, jak i katalizator.
Po zamknięciu fiolki pozostaw mieszaninę reakcyjną do wymieszania przez noc w temperaturze 25 stopni Celsjusza. Ponownie rozpuść polimer w pięciu do dziesięciu mililitrach chloroformu i ponownie strącić go w 250 mililitrach metanolu, aby usunąć resztki katalizatora. Następnie suszyć osad w wysokiej próżni przez 24 godziny, aby usunąć metanol.
W schowku na rękawiczki dodać pięć mililitrów bezwodnego THF i mieszadło magnetyczne do fiolki scyntylacyjnej zawierającej 0,25 grama kompozycji R 50 etynol 50 fenol. Następnie dodać 0,146 grama pożądanego amidu do fiolki scyntylacyjnej. Następnie dodaj 0,022 grama katalizatora jodku miedzi do fiolki scyntylacyjnej.
Pozostawić roztwór do mieszania przez dwie minuty, aby utworzyć jednorodną zawiesinę. Teraz dodaj 0,713 grama DBU do jednorodnej zawiesiny i pozwól jej mieszać przez dwie godziny w temperaturze 25 stopni Celsjusza. Reakcja cykliczna musi być prowadzona przez dwie godziny.
Należy unikać długiego czasu reakcji, aby zapobiec tworzeniu się twardego żelu, takiego jak nierozpuszczalne nieemulgujące rozpuszczalniki organiczne. Po wyjęciu fiolki ze schowka na rękawiczki, należy wyjąć mieszadło magnetyczne i wstrzyknąć zielonkawy, żelowy roztwór do 250 mililitrów zimnego metanolu zawierającego 0,5 mililitra DBU. Zebrać utworzony polimer triazolowy przez filtrację za pomocą 15-mililitrowego spiekanego lejka i przemyć go raz 250 mililitrami metanolu.
Po powtórzeniu oczyszczania wysuszyć produkt reakcji kliknięcia pod wysoką próżnią przez 24 godziny, aby usunąć metanol. W schowku na rękawiczki zmieszać 0,029 g katalizatora chlorku miedzi z 0,1 g makroinicjatora w fiolce scyntylacyjnej zawierającej 0,101 g PMDETA. Po dodaniu mieszadła magnetycznego do fiolki, dodaj 1,51 grama świeżo destylowanego styrenu.
Następnie dodaj około 12 mililitrów bezwodnego toluenu, aby rozpuścić odczynniki. Po zamknięciu fiolki i wyjęciu jej ze schowka na rękawiczki, zanurzyć ją w kąpieli olejowej i zwiększyć temperaturę. Mieszać mieszaninę reakcyjną w żądanej temperaturze przez 12 godzin w dygestorium.
Po wyjęciu mieszadła magnetycznego wlej mieszaninę reakcyjną do 250 mililitrów zimnego metanolu, zawierającego 0,5 mililitra DBU. Następnie zbierz uformowane płatki przez filtrację, używając 15-mililitrowego spiekanego lejka i przemyj materiał raz około 50 mililitrami zimnego metanolu. Przefiltrować każdy polimerowy roztwór podstawowy przez filtr strzykawkowy PTFV o wielkości 0,45 mikrometra przed osadzeniem na płytce krzemowej.
Natychmiast po osadzeniu 200 mikrolitrów próbki na płytce krzemowej, należy użyć maszyny do powlekania wirowego, aby pokryć całą powierzchnię płytki jednolitą folią polimerową do pomiarów AFM. Polimeryzacja insercyjna koordynacyjna za pośrednictwem katalizatora tytanowego BINAL R lub S prowadząca do serii R i S polikarbodiimidów jest pokazana tutaj. Przedstawiono syntezę polikarbodiamimidów triazolu stosowanych jako makroinicjatory w reakcji ATRP do produkcji polikarbokodiimidu-g-polistyrenów lub PSPCD.
Makrocząsteczki mogą samoorganizować się w cienką warstwę, tworząc różnorodne złożone architektury supermolekularne, takie jak włókna, włókna zapętlone, superhelisy, sieci włókniste, wstęgi, agregaty podobne do robaków, struktury toroidalne i kratery. Przedstawiono tutaj model molekularny makroinicjatora triazolu. Obrazy AFM alkinowych PCD potwierdzają powstawanie morfologii podobnych do włókien.
Ogólnie rzecz biorąc, rozcieńczanie roztworów podstawowych powodowało zmniejszenie wielkości utworzonych zagregowanych morfologii. Przedstawiono tutaj morfologie utworzone z PSPCD, pokrytych spinowo z materiału chloroformowego. W przeciwieństwie do zachowań agregacji polikarbodimidu alkinowego w chloroformie, badanie PSPCD ujawniło zarówno zespoły przypominające kratery, jak i nanowymiarowe architektury naczyniówkowe jako dominujące motywy.
Przedstawiono tutaj obrazy AFM PSPCD wskazujące na tworzenie się dyskretnych nanosfer podczas stosowania pojedynczego lub binarnego systemu rozpuszczalnikowego do osadzania próbki, z rozmiarami cząstek zależnymi od stężenia. Przedstawiono tutaj składanie się poszczególnych makrocząsteczek w sferyczne nanocząstki, ściśle pasujące do morfologii zmierzonych przez SEM. Co ciekawe, agregaty o większych rozmiarach mikronów mogą być zagrożone pojedynczymi nanocząstkami zgrupowanymi razem.
Metoda powlekania wirowego stanowi wygodny sposób na powtarzalne tworzenie morfologii wielu typów, w tym włókien, superhelis, architektur podobnych do pączków, mikrosfer, na bazie polikarbodiimidów etynolu i ich odpowiednich pochodnych polistyrenu. Podczas przygotowywania filmów polikarbodimidowych na płytkach krzemowych należy je suszyć na powietrzu przez kilka godzin w celu obrazowania AMF. Tym razem ułatwimy tym makrocząsteczkom samoorganizację do określonych, możliwych do zidentyfikowania morfologii.
Ważnym praktycznym odkryciem badań jest to, że na tworzenie się struktur drugorzędowych duży wpływ ma stężenie i rozpuszczalnik. Zgodnie z tą procedurą można wykonać inne metody, takie jak TEM, SEM i XRD. Pozwala nam to na zadawanie dodatkowych pytań związanych z budową spiralnych polikarbodimidów.
Naszym celem jest opracowanie materiałów o precyzyjnie kontrolowanej architekturze kyro-architektury i dostrajalnych właściwościach. Przyszłe zastosowania tej metody, w odniesieniu do polikarbodiamidów, mogą obejmować rozwój czujników kyro lub konstruowanie sferycznych agregatów jako nośników do dostarczania leków. Ponadto możemy projektować nowatorskie rusztowania molekularne, które posiadają zdefiniowane mikrostruktury wykazujące interesujące właściwości przełączania kyrooptycznego
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Ten protokół demonstruje syntetyczne podejście do helikalnych polikarbodiimidów z modyfikowalnymi grupami wiszącymi i umożliwia wizualizację ich struktur wtórnych za pomocą mikroskopii sił atomowych. Powstałe architektury mogą być wykorzystywane w różnych zastosowaniach, w tym w czujnikach i nośnikach leków.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Chemia polimerów
- Nanotechnologia
- Inżynieria biomedyczna
Tło
- Helikalne polikarbodiimidy mogą tworzyć różnorodne struktury wtórne.
- Techniki charakteryzacji obejmują mikroskopię sił atomowych (AFM) i skaningową mikroskopię elektronową (SEM).
- Struktura i morfologia zależą od struktury molekularnej, stężenia i rozpuszczalnika.
- Potencjalne zastosowania obejmują czujniki i systemy dostarczania leków.
Cel badania
- Opracowanie protokołu syntezy helikalnych polikarbodiimidów.
- Wizualizacja struktur wtórnych powstałych z tych polimerów.
- Zbadanie potencjalnych zastosowań tych struktur w różnych dziedzinach.
Stosowane metody
- Synteza helikalnych polikarbodiimidów z modyfikowalnymi grupami.
- Charakteryzacja struktur za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM).
- Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) do analizy morfologii.
- Badanie wpływu struktury molekularnej i rozpuszczalnika na składanie się struktur.
Główne wyniki
- Udane uwidocznienie różnorodnych struktur wtórnych, w tym włókien i kulek.
- Wykazano wpływ struktury molekularnej i stężenia na morfologię.
- Zidentyfikowano potencjalne zastosowania w czujnikach i dziedzinach biomedycznych.
- Pokazano wszechstronność techniki dla różnych szkieletów polikarbodiimidów.
Wnioski
- Protokół umożliwia przygotowanie różnorodnych struktur helikalnych polikarbodiimidów.
- Te struktury mogą być dostosowane do określonych zastosowań w technologii i medycynie.
- Dalsze badania mogą poprawić funkcjonalność tych materiałów jako nośników leków.
Często zadawane pytania
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
