Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Partikler uden boks: Brush-første syntese af lysnedbrydelig PEG stjerne Polymers under omgivelsesbetingelser

Published: October 10, 2013 doi: 10.3791/50874
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Chemistry, Massachusetts Institute of Technology

Summary

Poly (ethylenglycol) (PEG) børste-arm stjerne polymerer (BASPs) med smalle massedistributioner og afstemmelige nanoskopiske størrelser er syntetiseret via ringåbnende metathesis polymerisation (ROMP) af et PEG-norbornen makromonomer efterfulgt af overførsel af portioner af den resulterende levende pensel initiativtager til hætteglas indeholdende forskellige mængder af et stift, foto spaltbar bis-norbornen-tværbinder.

Abstract

Praktiske metoder til hurtig, parallel syntese af forskelligt funktionaliserede nanopartikler vil muliggøre opdagelsen af ​​nye formuleringer til drug delivery, biologisk billeddannelse, og støttede katalyse. I denne rapport, viser vi, parallel syntese af børste-arm stjerne polymer (BASP) nanopartikler af "brush-first"-metoden. I denne metode, er en norbomen-termineret poly (ethylenglycol) (PEG) makromonomer (PEG-MM) først polymeriseret via ring-åbning metatese polymerisation (ROMP) til at generere en levende pensel makroinitiator. Portioner af denne initiator stamopløsning tilsættes til hætteglas, der indeholder forskellige mængder af et lysnedbrydelig bis-norbornen tværbinder. Udsættelse for Tværbinderen indleder en serie af kinetisk styret børste + børste og stjerne +-stjernede koblingsreaktioner der i sidste ende giver BASPs med kerner består af tværbindingsmidlet og coronas bestående af PEG. Den endelige BASP størrelse afhænger af mængden af ​​tværbinder tilføjet. Vi udføre synafhandling af tre BASPs på bordplade med ingen særlige forholdsregler for at fjerne luft og fugt. Prøverne er karakteriseret ved gelpermeationskromatografi (GPC), resultater aftalt tæt sammen med vores tidligere rapport, der udnyttede inerte (handskerummet) betingelser. Væsentlige praktiske egenskaber, fordele og potentielle ulemper ved pensel første metode diskuteres.

Introduction

Polymere nanopartikler er blevet nøje undersøgt for deres potentielle anvendelse som platforme for drug delivery, understøttet katalyse, biologisk billedbehandling og saml-selv 1-3. Moderne programmer kræver, at nanopartikler synteser være facile, reproducerbare, er forenelig med kemiske funktionaliteter, og gøres til genstand for diversificering 4,5. Ringåbnende metathesis polymerisation (ROMP) anstrengt olefiner er en kraftfuld metode til syntese af funktionelle polymere nanostrukturer med kontrollerede størrelser og smalle massedistributioner 1,6-8. For eksempel kan norbornen-funktionaliserede poly (ethylenglycol) (PEG) makromonomerer (MMS) effektivt polymeriseret via ROMP at generere vandopløselige flaske-børste polymerer. Med denne fremgangsmåde kan nanostrukturer, der bærer flere løsbare medikamentmolekyler, fluoroforer og spin-kontrastmidler forberedes hurtigt og parallelt 6, 9, 10.

ROMP er også blevet anvendt til "arm først" syntese af stjerne polymerer. I armen-første metode, lineære polymerer tværbundet med en multi-funktionel tværbinder at give sfæriske nanostrukturer med polymere arme. Schrock og medarbejdere rapporterede den første arm-first ROMP syntese af stjerne polymerer via krydsbinding af norbornen, dicarbomethoxynorbornadiene og trimethylsilylhalogenider beskyttet dicarboxynorbornene lineære polymerer med et bifunktionelt norbomen tværbinder. 11, har 12 Buchmeiser udvidet denne metode til syntese af materialer med en vifte af applikationer, der omfatter understøttet katalyse, vævs-engineering, og kromatografi 13-17. Otani og medarbejdere har gjort stjerne polymer nanopartikler med funktionelle overflader via en beslægtet "ind-ud" polymerisering strategi 18, 19.

De fleste arm-først polymerisationer indebærer et komplekst samspil af monomere, polymer, og stjerne koblingsreaktioner. The sidstnævnte forløber via en trin-vækst mekanisme, der typisk fører til bred molekylvægt (MW) distributioner. For at overvinde denne begrænsning i relaterede arm-første atom transfer radikal polymerisationsreaktioner, Matyjaszewski og kolleger udførte arm-første krydsbinding af præfabrikerede polymere MMS til at give stjerne polymerer med meget smalle MW distributioner 20. I dette tilfælde, den steriske hovedparten af ​​MMS, og den øgede andel af stjerne våben til indvielse sites, hæmmet dårligt kontrolleret stjerne + stjerne koblingsprocesser, og førte til en levende, kæde vækst mekanisme.

Da vi forsøgte den samme strategi i forbindelse med ROMP med en norbomen-termineret PEG-MM og en bis-norbomen crosslinker blev stjerne polymerer med meget brede, multimodale MW distributioner opnået. Dette resultat antydede, at MM alene i dette system ikke var tilstrækkeligt omfangsrigt til at hæmme stjerne + stjerne kobling. For at øge den steriske hovedparten af ​​de stjerne arme og potentielt begrænse denne uncontrolled kobling, vi forsøgte at først polymerisere MM til at danne flaske børste polymerer i fravær af tværbinder og derefter tilføje krydsbinderen. Vi var glad for at finde, at der under visse betingelser, denne "brush-først"-metoden, forudsat ligetil adgang til "brush-arm stjerne polymerer" (BASPs) med smalle MW fordelinger og tunable kerne og Corona funktionaliteter.

Vi har for nylig rapporteret brush-første ROMP syntese af PEG BASPs hjælp Grubbs 3. generation katalysator A (figur 1) 21. I dette arbejde, eksponering af PEG-MM B til katalysator A genererede et levende pensel makroinitiator med defineret rygrad længde (B1, figur 1). Overførsel af portioner af B 1 til hætteglas, der indeholdt forskellige mængder af tværbinder C indledt BASPformation. MW, og dermed størrelsen af de BASPs steg geometrisk med mængden af C tilsat. Vi gav en mekanistisk hypotese for denne geometriske vækst proces og viste, at funktionelle, nitroxid core-og Corona-mærket BASPs let kan fremstilles uden behov for post-polymerisationsprodukter modifikation trin eller sekventiel monomer tilføjelser. Men i alle de rapporterede eksempler, var vi bekymrede katalysatordeaktivering, vi udført alle reaktioner under N2 atmosfære inde i en handskerummet.

Siden vores første rapport, har vi fundet, at børsten-første metode er meget effektiv for dannelsen af ​​BASPs fra en bred vifte af norbornentype opsagt MMS og funktionelle tværbindingsmidler. Vi har også opdaget, at metoden kan udføres i laboratoriet med ingen særlige forholdsregler for at fjerne luft eller fugt.

Heri vil en serie af tre BASPs af forskellig MWs skal SYnthesized af brush-første metode under omgivende forhold. Kort sagt, vil 10 ækvivalenter af B udsættes til 1,0 ækvivalenter katalysator A (figur 1a) i 15 minutter til opnåelse af en BI med en gennemsnitlig polymerisationsgrad (DP) på 10. Tre portioner af dette parti BI vil blive overført til separate hætteglas, der indeholder 10, 15 og 20 ækvivalenter (N, figur 1b) C. Efter 4 timer, vil polymerisationerne blive undertrykt via tilsætning af ethylvinylether. De stjerne polymer MWs og MW distributioner vil blive præget ved hjælp af en gelpermeeringschromatografi instrument udstyret med en multi-vinkel laserlysspredning detektor (GPC-malls).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Vi først beskriver syntesen og oprensningen af PEG-MM B fra 3 kDa O-(2-aminoethyl) polyethylenglycol (PEG-NH2) og norbornen-N-hydroxysuccinimidyl (NHS)-ester. Den førstnævnte forbindelse kan købes fra Sigma Aldrich Inc. eller fremstillet via anioniske polymerisation ifølge litteraturprocedurer 22,23. Den sidstnævnte forbindelse kan fremstilles i to trin i henhold til en offentliggjort procedure 21. Næste vi beskriver en syntese af katalysator A fra kommercielt tilgængelige Grubbs 2. generations katalysator. Vi derefter demonstrere brugen af ​​dette kompleks for brush-første BASP syntese. Dette eksperiment detaljer proceduren for BASPs med N = 10, 15 og 20 fra en BI med DP = 10. Alle reaktioner blev udført i et stinkskab under anvendelse af standard scintillationshætteglas.

ADVARSEL: Brug altid handsker, en lab-coat og labbriller, og følge fælles laboratorium sikkerhedspraksis, når der arbejdes med farlige kemikalier. Enhver organisk opløsningsmiddel skal håndteres i et stinkskab. Faste stoffer kan vejes på en balance udenfor stinkskabet. Kemiske stoffer bør ikke komme i kontakt med hud, øjne eller mund. Det anbefales kraftigt at læse MSDS for hvert opløsningsmiddel og solid brugt i denne procedure, før du begynder.

1.. Fremstilling af PEG-MM B

  1. Tilføj PEG-NH2 (300 mg, 0,0001 mol, 1,0 ækv) til en 40 ml scintillationshætteglas udstyret med en omrører.
  2. Opløs PEG-NH2 i 3 ml vandfrit N, N-dimethylformamid (DMF).
  3. Tilføj 36 mg norbornen-NHS-ester (0,000105 mol, 1,05 ækvivalenter) 21.
  4. Luk hætteglasset og reaktionsblandingen omrøres natten over ved stuetemperatur.
  5. Fjern omrørerstav og diethylether tilsættes til reaktionsopløsningen for at præcipitere PEG-MM B.
  6. Foretage den hvide influenzaFFY bundfald og vask grundigt med diethylether. Alternativt overføre suspensionen til en 50 m centrifugeglas, centrifugeres ved 4.000 rpm i 5 minutter ved stuetemperatur og derefter dekanteres supernatanten. Tilføj frisk diethylether, centrifuge, og dekantere igen. Vi anbefaler, at gentage denne fremgangsmåde 3x i alt 5x.
  7. Bundfaldet tørres under vakuum i 24 timer for at fjerne tilbageværende diethylether.

2. Oprensning af PEG-MM

I vores tidligere rapport, blev PEG-MM B fremstilles ud fra kommercielt tilgængelige PEG-NH2 og blev brugt til BASP syntese uden yderligere rensning efter tørring (dvs. efter trin 1.7). I denne undersøgelse variere vi PEG-NH2 kilde (kommercielt versus hjemmelavet), og vi sammenligne BASP dannelse resultaterne før og efter strengere præparativ højtydende væskekromatografi (prep-HPLC) MM oprensning. I resten af ​​dette studie, drIED MM opnået efter trin 1.7 omtales som B1. Prep-HPLC blev anvendt til oprensning af B1 for at give B2. En analog prep-HPLC oprensede MM syntetiseret i vores laboratorium via anionisk polymerisation benævnt B3. Prep-HPLC blev udført ved anvendelse af et Beckmann Coulter HPLC (127p opløsningsmiddel modul og 166p detektor modul) med en 1 ml prøve loop og en Agilent Zorbax 300SB-C18 PrepHT omvendt fase-søjle ved stuetemperatur.

  1. Set-up HPLC med opløsningsmiddel A: deioniseret vand (Millipore rensningssystem, 18,2 Ω) med 1% eddikesyre; opløsningsmiddel B: acetonitril.
  2. Prime pumper og ligevægt kolonne med 95% A og 5% B.
  3. Opløs PEG-MM acetonitril eller MeOH (150 mg / ml).
  4. Der filtreres gennem et 13 mm 0,45 pm Nylon sprøjte filter.
  5. Indstil HPLC-metode:
    - Flow rate: 20 ml / min
    - 0-1 min: lineær gradient til 10% B og 90% A
    - 1-10 min: linear gradient til 90% B og 10% A
    - 10-13 min: skift til oprindelige betingelser (5% B og 95%) og re-ligevægt kolonne
    - Indstil UV-detektor til at detektere absorbans ved 256 nm
  6. Load 0,8 ml prøve på prøvesløjfe.
  7. Injicer prøve.
  8. Saml den største absorbanstop (under de betingelser, produktet elueres mellem 5-7 min).
  9. Gentag om nødvendigt. Kombiner rene fraktioner sammen i en rundbundet kolbe.
  10. Fjern alt opløsningsmiddel via rotationsfordampning.
  11. Genopløses produktet i dichlormethan, og der tilsættes natriumsulfat. Forsigtigt ryste eller røre kolben jævnligt for ≅ 1 time.
  12. Blandingen filtreres ved hjælp af et frittet glasfilter.
  13. Koncentrer via rotationsfordampning. Tør under vakuum natten over.
  14. PEG-MM kan karakteriseres ved 1H-NMR i CD 2 Cl 2 (15-20 mg/0.7 ml CD 2 Cl 2, 500 MHz eller højere anbefales med over 128 scanninger og afslapning forsinkelse, d1= 2,0 sek) og MALDI-TOF hjælp positiv ioniseringsmode og 2 - (4-hydroxyphenylazo) benzoesyre som MALDI matrix.
  15. PEG-MM kan opbevares i måneder i et scintillationshætteglas ved 4 ° C.

3. Fremstilling af katalysator A

  1. Tilføj Grubbs 2. generations-katalysator (500 mg, 0,589 mmol) til en 20 ml hætteglas udstyret med en omrører.
  2. Tilføj pyridin (ca. 0,474 ml, 5,89 mmol, 10 ækv) til hætteglasset. Løsningen farve bør straks skifte fra rødt til grønt. Lad reaktionen til at røre, indtil alle den røde farve er forsvundet, og opløsningen er blevet tyktflydende (15-30 min.)
  3. Fyld reaktionshætteglasset med koldt pentan til fældning kompleks A.
  4. Filtreres suspensionen til at indsamle den grønne bundfald (katalysator A). Vask 4x med 15 ml kold pentan.
  5. Tør grønt fast stof under vakuum natten over.
  6. Kompleks A kan væreopbevares i måneder ved stuetemperatur i en benchtop ekssikkator uden væsentlig tab af aktivitet. For ekstra sikkerhedsforanstaltning, gemmer vi typisk komplekse i en -20 ° C fryser inde i en handskerummet. For nemheds skyld, vi pre-veje kendte mængder af A i 4 ml scintillationshætteglas umiddelbart efter tørring (trin 3.5). Vi derefter gemme disse hætteglas i handskerummet fryseren. Når du er klar til at køre en ROMP reaktion, vi bare tage et hætteglas ud af handskerummet og brug som beskrevet nedenfor (trin 4.4).

4.. Udarbejdelse af stamopløsningen af Living Brush Polymer (BI) med DP = 10

  1. I et 3 ml hætteglas med en gastæt skruelåg forsynet med en omrører, afvejes 65 mg (0,020 mmol, 10 EQ) MM B. Denne mængde svarer til 20 mg MM for hver af de 3 forskellige størrelser af BASPs, og 5 mg tilovers til GPC-analyse af BI. Anvend en spatel til at tilføje MM direkte til bunden af ​​hætteglasset. Try til at forhindre materiale i at klæbe til siderne af hætteglasset, da dette scenario kunne føre til MM kontaminering i den endelige BASP produkt.
  2. Opløs MM B i 158 pi THF. Umiddelbart cap hætteglasset efter tilsætning THF for at undgå fordampning af opløsningsmiddel. Bemærk: Den endelige koncentration af MM under polymerisationen bør være 0,05 M. Hvis der tilføjes 158 pi THF her, og 243 pi katalysator løsning, trin 4.4, vil blive tilføjet for at give 401 pi THF alt, hvilket svarer til [MM ] = 0,05 M. Mængden af ​​opløsningsmiddel i dette trin kan varieres, så længe mængden af ​​opløsningsmiddel i trin 4.4 også varieres til at give [MM] 0,05. Vi har fundet, at polymerisationer udføres med [MM] <0,05 nogle gange ikke gå videre til at fuldføre konverteringen.
  3. Lad opløsningen omrøres, indtil alle de MM er opløst. Opvarmes let, hvis nødvendigt. Undgå sprøjt den tyktflydende løsning på siderne eller hætten af ​​hætteglasset.
  4. Dernæst tilsættes en kendt mængde (2,8mg for dette eksempel) af katalysator A til et 3 ml hætteglas (eller få et hætteglas med forvejet katalysator A). Der tilsættes vandfrit THF (466 pi i dette eksempel) for at give en 6 mg / ml katalysatoropløsning. Luk hætteglasset straks. Lad katalysator for at opløse. Ryst hætteglasset, hvis behov skulle Denne katalysator løsning umiddelbart bruges til at tumle. Note 1: Den katalysator Opløsningen skal være en skov grøn farve. Hvis det er sort eller grønlig-brun, så er det sandsynligvis har nedbrudt, og det vil formentlig ikke give tilfredsstillende boltre sig resultater. Hvis nedbrydning sker, foreslår vi forbereder frisk katalysator (i henhold til punkt 3 ovenfor), eller ved hjælp af frisk destilleret THF. Note 2: Den mængde THF til A er valgt for at sikre, at den endelige [MM] er ~ 0,05. Dette beløb kan justeres, så længe kompensationsjusteringer er lavet til MM løsningen i trin 4.2.
  5. Tilføj 243 pi (1,46 mg, 1 ækv til B BI urenhed i den endelige BASP.
  6. Luk hætteglasset straks og lade reaktionsblandingen omrøres i 15 minutter til dannelse af børsten makroaktivator (BI).

5.. Dannelse af BASPs

  1. Tilføj 3,6 ± 0,1 mg (6,18 pmol, 10 EQ til mængden af BI skal overføres i trin 5.2), 5,5 ± 0,1 mg (9.28μmol, 15 EQ til mængden af BI skal overføres i trin 5.2) og 7,3 ± 0,1 mg (12.4μmol, 20 EQ mængden af BI skal overføres i trin 5.2) tværbinder C til tre separate 3 ml hætteglas er udstyret med stir barer. Forsøge at afveje tværbinderen direkte på bunden af ​​hætteglasset for at forhindre materialet i at klæbe til siderne af hætteglasset. Bemærk: Crosslinker C ikke er meget opløseligt i THF. Af denne grund er det faste stof, som anvendes direkte i dette trin. I tilfælde, hvor tværbinderen er opløselig, og derefter en koncentreret stamopløsning tværbinder kan gøres, og forskellige mængder af denne opløsning kan overføres til hætteglas. Igen bør koncentrationen af ​​de endelige polymerisationer være> 0,05 M, hvis der er tilsat opløsningsmiddel til tværbinderen derefter en kompenserende reduktion af opløsningsmiddel bør andetsteds.
  2. Tilføj 123 pi (0,618 pmol) af BI-opløsning til hver af de tre hætteglas indeholdende C. Prøv at holde nålespidsen lige over den faste crosslinker når de føjes til hætteglasset. Tilføj BI-løsningen på en gang i stedet dråbevis.
  3. Cap hætteglassene og rør reaktionerne på RT for indtilafslutning. Med denne specifikke MM og tværbinder kombination reaktionen er færdig i ~ 4 timer, fortsatte omrøring i op til 24 timer ikke har nogen mærkbar effekt på BASP vækst. Monitor ved GPC for at sikre fuldstændig omdannelse af BI.
  4. Quench reaktionerne ved at tilsætte en dråbe ethylvinylether til den resterende BI-løsning og hver af de N = 10, 15 og 20 BASP reaktionsblandinger. Der omrøres i 10 minutter for at sikre fuldstændig hærdning.

6.. GPC Prøveforberedelse

GPC-indkøbscentre resultater blev opnået på en Agilent 1260 LC, der er udstyret med en Shodex GPC KD-806 kolonne, en Wyatt Dawn Heleos II-MALLS detektor og en Wyatt Optilab T-REX brydningsindeksdetektor ved stuetemperatur. DMF med 0,025 M LiBr ved en strømningshastighed på 1,0 ml / min blev anvendt som eluent. Resultaterne blev analyseret ved hjælp af Astra 6 software leveret af Wyatt.

  1. Ved hjælp af en ny glas pipette til hver reaktion hætteglasDyppes pipettespidsen i reaktionsopløsningen at udarbejde et lille udsnit af reaktionen. Vask ned på indersiden af ​​pipetten med 250 pi 0,025 M LiBr i DMF til opnåelse af en slutkoncentration på omkring 3 mg / ml.
  2. Foretage den fortyndede prøve gennem et 0,45 um polytetrafluorethylen filteret, før afsætning af prøven i en GPC hætteglas.
  3. Opsætning GPC-malls kører og analysere resultaterne, når de kører er afsluttet.

Liste over forkortelser:

A: Grubbs 3. generation bis-pyridine katalysator

B: poly (ethylenglycol) (PEG) makromonomer (MM)

B1: PEG MM fremstillet ved anvendelse af kommercielt tilgængelige (Aldrich) PEG-NH2 og anvendes uden HPLC-oprensning.

B2: PEG MM fremstillet ved anvendelse af kommercielt tilgængelige (Aldrich) PEG-NH

B3: PEG MM fremstilles ved anvendelse af nyligt syntetiserede PEG-NH2 og anvendes efter HPLC-oprensning.

BASP: brush-arm stjerne polymer

BI: stue børste initiativtager

C: lysnedbrydelig tværbinder

D: molarmasse dispersitet index

DMF: N, N-dimethylformamid

DP: Antallet gennemsnitlig grad polymerisering

GPC: gelpermeationschromatografi

Prep-HPLC: præparativ højtydende væskekromatografi

MALLS: multi-vinkel laserlysspredning

MM: makromonomer

MW: molekylvægt

Mw: vægtgennemsnitlig moLAR masse

N: antal tværbinder ækvivalenter (forholdet mellem C til A)

NHS: N-hydroxysuccinimidyl

PEG: polyethylenglycol

PEG-MM: norbomen-PEG makromonomer (også henvist til som forbindelse B)

ROMP: ring-åbning metathesis polymerisation

THF: tetrahydrofuran

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 2 viser GPC spor for en række BASPs fremstillet fra B1, B2 og B3. I alle tilfælde skal de data illustrerer, at stigende ækvivalenterne af tværbinder (N) fører til en stigning i størrelsen af BASP. Som det blev observeret i vores tidligere rapport, 10 ækvivalenter tværbinder ikke er tilstrækkelig til at opnå ensartede BASPs, N = 10 prøve viser et tydeligt multimodal GPC spor med en stor mængde af resterende pensel polymer især i tilfælde af urenset MM B1 ( figur 2a). Større mængder af tværbinder resultere i ensartede MW distributioner med meget lidt resterende pensel og MM. Vægten gennemsnit molarmasse (Mw) omtrent fordobles i går fra N = 15 - 20. I tilfælde af B3, nogen resterende MM og mindre end 1% resterende BI fortsat for N = 15 og N = 20 sager.

Figur 1
Fig. 1. Skematisk for Brush-Arm stjerne Polymer (BASP) Syntese. Panel (a) viser syntesen af Grubbs '3. generation bispyridin katalysator (A) ud fra kommercielt tilgængeligt Grubbs' 2. generation katalysator. Også vist er strukturerne i PEG-MM (B) og tværbinder (C), der anvendes i dette arbejde. Panel (b) viser et skematisk diagram af brush-første proces. Polymerisation af PEG-MM (B) med katalysator (A) genererer en 10-unit levende børste initiator (BI), der tilsættes derefter til tværbindingsmiddel (C), hvilket resulterer i dannelsen af en BASP. ig1highres.jpg "target =" _blank "> Klik her for at se større billede.

Figur 2
Figur 2. Repræsentant GPC resultater af N = 10, 15 og 20 BASPs fremstillet ud fra forskellige PEG MMS. Panels (a), (b) og (c) viser data til MMS B1, B2 og B3, hhv. Urenheder fra kommerciel PEG-NH2, uomsat MM, og resterende BI er mærket med en asterisk. Mw og dispersitet indeks (D)-værdier findes i det indsatte tabeller. Bemærk, at d-værdier opnået ved GPC for højforgrenede nanostrukturer skal overvejes nøje 24,25. Observationen af ​​monomodale, ensartede toppe foreslår en snæver fordeling af partikel radier.tp_upload/50874/50874fig2highres.jpg "target =" _blank "> Klik her for at se større billede.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den vigtigste fordel ved brush-første BASP syntese er den unikke evne til hurtigt at syntetisere nanostrukturer med forskellig størrelse og sammensætning parallelt uden behov for specialiseret udstyr. I denne undersøgelse viser vi pensel første syntetiske fremgangsmåde under anvendelse af en norbomen funktionaliseret PEG makromonomer (B, figur 1) og en bis-norbornen nitrobenzylester tværbinder (C, figur 1). PEG-kæderne fra B bibringer vandopløselighed til den endelige BASP struktur. Den nitrobenzyl-baserede tværbindingsmiddel er lysnedbrydelig.

Denne generelle fremgangsmåde kan modificeres til andre exo-norbomen baserede MMS og krydsbindere. Vi har udarbejdet BASPs fra flere kombinationer af begge. For eksempel har vi brugt norbornen-PEG-baserede MMS, der udfører forskellige anti-cancer medicin, nitroxider og magnetisk resonans imaging kontrastmidler 27. Vi har også brugt MMS består af andre end PEG polymerer. Det er vores erfaring, kan børsten-første metode anvendes på næsten enhver funktionel exo-norbornen imid opsagt MM. I tilfælde, hvor høje konverteringer af MM til BI (> 95%) ikke opnås, en MM urenhed er den mest sandsynlige årsag (i modsætning til katalytisk aktivitet). Mere stringent rensning som skitseret i denne rapport (prep-HPLC) fører typisk til en vellykket ROMP. Bemærk, at vi ikke har forsøgt Romp polymerisationer med MMS, der bærer ubeskyttede funktionelle grupper, som er kendt for at interferere med katalysator A (f.eks frie aminer, olefiner, azider, osv.). Disse grupper kan indføres efter brush-første syntese via post-polymerisation modifikation 27. For eksempel har vi udarbejdet azid-BASPs fra alkylhalid MMS, der blev konverteret til azider efter BASP dannelse. Disse azider blev anvendt til Cu-katalyseret azid-alkyn cycloaddition "klik &# 34; reaktioner.

Vi forsøgte at undersøge virkningen af ​​MM renhed i flere detaljer. Små mængder af resterende MM-og BI blev altid observeret i GPC spor når børste-første reaktioner blev udført under anvendelse af MM fremstillet ud fra kommercielt tilgængeligt PEG-NH2 (B1, figur 2a). Vi havde lært af erfaring, at helt rene MMS giver generelt kvantitativ MM konvertering. Endvidere havde vi bemærket, at mængden af tilbageværende MM varieres afhængig af batchnummer kommercielle PEG-NH2. Vi mistanke om, at en ikke-funktionel PEG-NH2 urenhed, måske blot PEG diol, var ansvarlig for den tilsyneladende resterende MM urenhed. Derfor har vi udnyttet prep-HPLC for at oprense B1 for at give ren MM B2 Figur 2b viser, at denne rensning rent faktisk reducere mængden af resterende MM (orange star) er omkring to gange. Det ikke remove det helt. Interessant, B2 gav højere konvertering af BI til BASPs samt, måske en urenhed, der førte til katalysatordeaktivering blev fjernet via prep-HPLC. Stadig utilfredse med mængden af tilbageværende MM, vi fulgte litteratur metoder til syntese af PEG-NH 2 via anioniske polymerisation af ethylenoxid fra ethanolamin (ADVARSEL: Ethylenoxid bør håndteres af uddannede og erfarne kemikere, det er en meget brandfarlig, eksplosiv og giftig gas!). 22,23 MM fremstillet af denne hjemmelavede PEG-NH2 (B3) gav forbedrede resultater i forhold til de kommercielle MMS. GPC-analyse af de tilsvarende BASPs viste ingen påviselig rest MM og meget lille (<1%) resterende BI (figur 2c). Så hvis der kræves høj renhed BASPs anbefaler vi at bruge den renest mulige MM. Bemærk, at resterende MM og BI let kan fjernes frade større BASPs gennem dialyse efter brush-første syntese.

Vi har også brugt andre end C krydsbindere. For eksempel har vi udarbejdet BASPs fra bisnorbornene metalkomplekser, polymerisationsinitiatorer, syrespaltelig indeksobligationer og supramolekylære værter. Vi finder, at crosslinkers med stive afstandsstykker mellem norbornener tendens til at give den mest ensartede BASPs; sådanne tværbindere er mindre tilbøjelige til at gennemgå intramolekylære ringslutningsreaktioner der forbruger norbornener men bidrager ikke til BASP vækst.

Uanset MM og crosslinker kombination, finder vi følgende generelle fremgangsmåder vil føre til den højeste chance for børste-første succes. Først, før du forsøger børste første syntese med nysyntetiserede monomerer, anbefaler vi at gøre DP = 10 børste polymer alene og muligvis længere børste polymerer med DP = 25 og 50 år. Hvis disse prøver er en succes, er der en glimrende chance for, at børste-firstmetode vil også blive en succes. For det andet, den ideelle koncentration for brush-første polymerisation er afhængig monomer kemiske sammensætning og struktur af komponenterne. Vi anbefaler at teste et par koncentrationer på mindre skala, før du foretager et stort parti af BASP. Tredje polymerisationer udføres i dichlormethan eller tetrahydrofuran tilsyneladende giver de bedste resultater, monomerer, som er opløselige i disse opløsningsmidler er ideelle. Som beskrevet ovenfor, hvis tværbinderen er tungtopløselige i disse opløsningsmidler anbefaler vi at tilsætte det som et faststof snarere end at tilføje ekstra opløsningsmiddel. Så længe MM er opløselig, mener vi, at tværbindingen bringer tværbinder fuldstændigt i opløsning inden for få minutter. For det fjerde, selv om polymerisation ikke kræver inerte betingelser, anbefaler vi opbevaring af katalysatoren under inert atmosfære for at øge dens levetid. Vigtigere er det, vil katalysatoren nedbrydes over tid i opløsning; katalysator bør laves frisk fra Grubbs tredje generation catalyst hver gang en række Romp reaktioner udføres. Endelig vil mængden af ​​tværbinder kræves for ensartede BASPs variere meget med tværbinder og MM struktur. Som vist i figur 2, 10 ækv tværbinder C er ikke nok til at levere komplette BI konverteringer. I andre tilfælde finder vi, at tilsætning af 1 ækv tværbinder, og endda op til 40 ækvivalenter, giver gode resultater. Når en ny krydsbinder skal bruges, anbefaler vi en serie af mindre reaktioner med forskellige N værdier til at identificere optimale tværbindingsmiddel beløb.

Som en sidste bemærkning, er det vigtigt at erkende, at mange alternative metoder der findes til at gøre stjerne formede polymerer (kerne-først, arm-først, osv.) 25, 26. Hver metode har ulemper og fordele, såsom grænser for størrelse, rensning krav og funktionel gruppe kompatibilitet. Vi hævder, at den brede funktionelle gruppe tolerance ROMP,den lette syntese af norbomen-baserede funktionelle monomerer, og evnen til at udføre boltre sig reaktioner i laboratoriet hurtigt, parallelt og ved stuetemperatur, gør pensel første ROMP tilgang værd at overveje for en lang række applikationer. I fremtiden vil vi fortsætte med at udvikle denne metode og BASP nanoarchitectures til forskellige applikationer, herunder stof-og gen levering, cellulære billedbehandling og saml-selv. Det fulde potentiale af disse nye partikler, og deres evne til kombinatorisk syntese, har endnu at blive udforsket.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at afsløre.

Acknowledgments

Vi takker MIT Institut for Kemi og MIT Lincoln Labs avancerede koncepter Udvalget for støtte til dette arbejde.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Grubbs Second Generation Catalyst Materia (or Sigma Aldrich) C848 (Sigma Aldrich: 569747) Used as purchased from manufacturer.
*Provided as a generous gift.
Pyridine Sigma Aldrich 270970 Used as purchased from manufacturer
O-(2-aminoethyl)polyethylene glycol 3000 Sigma Aldrich 07969 Used as purchased from manufacturer
PEG-MM N/A N/A Synthesized following reported procedures (Ref. 21, protocol 1)
norbornene-N-hydroxysuccinimidyl (NHS) ester N/A N/A Synthesized following reported procedures (Ref. 21)
Bis-norb-NBOC Crosslinker N/A N/A Synthesized following reported procedures (Ref. 21)
Pentane Sigma Aldrich 158941 Used as purchased from manufacturer
Tetrahydrofuran (HPLC grade) Sigma Aldrich 34865 Dried and purified over a solvent purification columns
Dichloromethane VWR BDH1113-4LG Used as purchased from manufacturer
Acetonitrile (HPLC grade) Sigma Aldrich 34998 Used as purchased from manufacturer
Acetic Acid Sigma Aldrich A6283 Used as purchased from manufacturer
Sodium sulfate Sigma Aldrich 239313 Used as purchased from manufacturer
Diethyl ether Sigma Aldrich 673811 Used as purchased from manufacturer
Dimethylformamide (HPLC grade) Sigma Aldrich 270547 Used as purchased from manufacturer
Lithium Bromide Sigma Aldrich 213225 Used as purchased from manufacturer
MillQ Biocel A10 Millipore
Beckmann Coulter HPLC (127p solvent module, 166p detector) Beckmann Coulter
Zorbax 300SB-C18 PrepHT reverse phase column Agilent
1260 Infinity Liquid Chromatography Agilent
GPC KD-806M column Shodex
Dawn Heleos II Light Scatterer Wyatt
Optilab T-rEX Refractive Index Detector Wyatt
Glass Scintillation Vials - 40 ml Chemglass CG-4909-05
Glass Scintillation Vials - 4 ml Chemglass CG-4904-06
Glass Scintillation Vials (PTFE-lined cap) - 2 ml Agilent 5183-4518
Stir-bars VWR 5894x various sizes
13 mm 0.45 µm Nylon Syringe filter PerkinElmer 02542903
13 mm 0.45 µm polytetrafluoroethylene syringe filter PerkinElmer 02542909
1 ml disposable syringes VWR 53548-001
Swing bucket centrifuge or similar Should be able to reach approximately 4,000 rpm
Round bottom flask
Fritted glass filter assembly
Rotary Evaporator
Balance

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Bielawski, C. W., Grubbs, R. H. Living ring-opening metathesis polymerization. Prog. Polym. Sci. 32, 1-29 (2007).
  2. Hawker, C. J. The Convergence of Synthetic Organic and Polymer Chemistries. Science. 309, 1200-1205 (2005).
  3. Peer, D., Karp, J. M., Hong, S., Farokhzad, O. C., Margalit, R., Langer, R. Nanocarriers as an emerging platform for cancer therapy. Nat. Nano. 2, 751-760 (2007).
  4. Whitesides, G. M. Nanoscience, Nanotechnology, and Chemistry. Small. 1, 172-179 (2005).
  5. Leitgeb, A., Wappel, J., Slugovc, C. The ROMP toolbox upgraded. Polymer. 51, 2927-2946 (2010).
  6. Johnson, J. A., Lu, Y. Y., Burts, A. O., Lim, Y. -H., Finn, M. G., Koberstein, J. T., Turro, N. J., Tirrell, D. A., Grubbs, R. H. Core-Clickable PEG-Branch-Azide Bivalent-Bottle-Brush Polymers by ROMP: Grafting-Through and Clicking-To. J. Am. Chem. Soc. 133, 559-566 (2010).
  7. Bielawski, C. W., Grubbs, R. H. Highly Efficient Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP) Using New Ruthenium Catalysts Containing N-Heterocyclic Carbene Ligands. Angew. Chem. Int. Ed. 39, 2903-2906 (2000).
  8. Love, J. A., Morgan, J. P., Trnka, T. M., Grubbs, R. H. A Practical and Highly Active Ruthenium-Based Catalyst that Effects the Cross Metathesis of Acrylonitrile. Angew. Chem. Int. Ed. 41, 4035-4037 (2002).
  9. Lu, J. A., Johnson, Y. Y., Burts, A. O., Xia, Y., Durrell, A. C., Tirrell, D. A., Grubbs, R. H. Drug-Loaded, Bivalent-Bottle-Brush Polymers by Graft-through ROMP. Macromolecules. 43, 10326-10335 (2010).
  10. Burts, A. O., Li, Y. J., Zhukhovitskiy, A. V., Patel, P. R., Grubbs, R. H., Ottaviani, M. F., Turro, N. J., Johnson, J. A. Using EPR To Compare PEG-branch-nitroxide "Bivalent-Brush Polymers" and Traditional PEG Bottle-Brush Polymers: Branching Makes a Difference. Macromolecules. 45, 8310-8318 (2012).
  11. Bazan, G. C., Schrock, R. R. Synthesis of star block copolymers by controlled ring-opening metathesis polymerization. Macromolecules. 24, 817-823 (1991).
  12. Saunders, R. S., Cohen, R. E., Wong, S. J., Schrock, R. R. Synthesis of amphiphilic star block copolymers using ring-opening metathesis polymerization. Macromolecules. 25, 2055-2057 (1992).
  13. Buchmeiser, M. R., Wurst, K. Access to Well-Defined Heterogeneous Catalytic Systems via Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP): Applications in Palladium(II)-Mediated Coupling Reactions. J. Am. Chem. Soc. 121, 11101-11107 (1999).
  14. Weichelt, F., Frerich, B., Lenz, S., Tiede, S., Buchmeiser, M. R. Ring-Opening Metathesis Polymerization-Based Synthesis of CaCO3 Nanoparticle-Reinforced Polymeric Monoliths for Tissue Engineering. Macromol. Rapid Comm. 31, 1540-1545 (2010).
  15. Weichelt, F., Lenz, S., Tiede, S., Reinhardt, I., Frerich, B., Buchmeiser, M. R. ROMP-Derived cyclooctene-based monolithic polymeric materials reinforced with inorganic nanoparticles for applications in tissue engineering. Beilstein J. Org. Chem. 6, 1199-1205 (2010).
  16. Mayr, M., Mayr, B., Buchmeiser, M. R. Monolithic Materials: New High-Performance Supports for Permanently Immobilized Metathesis Catalysts. Angew. Chem. Int. Ed. 40, 3839-3842 (2001).
  17. Mayr, B. H., ölzl, G., Eder, K., Buchmeiser, M. R., Huber, C. G. Hydrophobic, Pellicular, Monolithic Capillary Columns Based on Cross-Linked Polynorbornene for Biopolymer Separations. Anal. Chem. 74, 6080-6087 (2002).
  18. Otani, H., Fujita, S., Watanabe, Y., Fujiki, M., Nomura, K. A Facile, Controlled Synthesis of Soluble Star Polymers Containing a Sugar Residue by Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP). Macromol. Symp. 293, 53-57 (2010).
  19. Nomura, K., Watanabe, Y., Fujita, S., Fujiki, M., Otani, H. Facile Controlled Synthesis of Soluble Star Shape Polymers by Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP). Macromolecules. 42, 899-901 (2009).
  20. Gao, H., Ohno, S., Matyjaszewski, K. Low Polydispersity Star Polymers via Cross-Linking Macromonomers by ATRP. J. Am. Chem. Soc. 128, 15111-15113 (2006).
  21. Liu, J., Burts, A. O., Li, Y., Zhukhovitskiy, A. V., Ottaviani, M. F., Turro, N. J., Johnson, J. A. "Brush-First" Method for the Parallel Synthesis of Photocleavable, Nitroxide-Labeled Poly(ethylene glycol) Star Polymers. J. Am. Chem. Soc. 134, 16337-16344 (2012).
  22. Studer, P., Larras, V., Riess, G. Amino end-functionalized poly(ethylene oxide)-block-poly(methylidene malonate 2.1.2) block copolymers: synthesis, characterization, and chemical modification for targeting purposes. Eur. Polym. J. 44, 1714-1721 (2008).
  23. Mosquet, M., Chevalier, Y., Le Perchec, P., Guicquero, J. P. Synthesis of poly (ethylene oxide) with a terminal amino group by anionic polymerization of ethylene oxide initiated by aminoalcoholates. Macromol. Chem. Phys. 198, 2457-2474 (1997).
  24. Burchard, W. Solution properties of branched macromolecules. Adv. Polym. Sci. 143, 113-194 (1999).
  25. Gao, H. F. Development of Star Polymers as Unimolecular Containers for Nanomaterials. Macromol. Rapid Comm. , 722-734 (2012).
  26. Blencowe, A., Tan, J. F., Goh, T. K., Qiao, G. G. Core cross-linked star polymers via controlled radical polymerisation. Polymer. 50, 5-32 (2009).
  27. Burts, A. O., Liao, L., Lu, Y. Y., Tirrell, D. A., Johnson, J. A. Brush-first and Click: Efficient Synthesis of Nanoparticles that Degrade and Release Doxorubicin in Response to Light. Photochem. Photobiol. , (2013).

Tags

Kemi Kemiteknik Nanopartikler Polymers Drug Delivery Systems Polymerization polymerer Biomedicinsk og Dental Materials børste først polyethylenglycol lysnedbrydelig ring åbning metatese polymerisation børste polymer stjerne polymer drug delivery gelpermeationskromatografi arm første kerne funktionelle fotospaltbar
Partikler uden boks: Brush-første syntese af lysnedbrydelig PEG stjerne Polymers under omgivelsesbetingelser
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Liu, J., Gao, A. X., Johnson, J. A.… More

Liu, J., Gao, A. X., Johnson, J. A. Particles without a Box: Brush-first Synthesis of Photodegradable PEG Star Polymers under Ambient Conditions. J. Vis. Exp. (80), e50874, doi:10.3791/50874 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter