Particules sans boîte: Brush-première synthèse de photodégradables PEG étoiles polymères dans des conditions ambiantes
Summary
Poly (éthylène glycol) (PEG) polymères brosse-bras étoiles (BASPs) des distributions de masse étroites et tailles nanoscopiques accordables sont synthétisés via ouverture de cycle polymérisation par métathèse (ROMP) d'un macromonomère PEG-norbornène suivie d'un transfert de parties de la vie résultant brosse initiateur de flacons contenant des quantités variées d'un rigide, photo-clivable bis-norbornène agent de réticulation.
Abstract
Méthodes pratiques pour la synthèse parallèle rapide des nanoparticules diversement fonctionnalisés permettront la découverte de nouvelles formulations pour l'administration de médicaments, imagerie biologique, et la catalyse supportée. Dans ce rapport, nous démontrons la synthèse parallèle de brosse-bras polymère en étoile (BASP) des nanoparticules par la méthode "brosse d'abord». Dans ce procédé, un poly-norbornène terminaison (éthylène glycol) (PEG) macromonomère (PEG-MM) est tout d'abord polymérisé via une polymérisation par métathèse par ouverture de cycle (ROMP) pour générer une macro-initiateur de la brosse de vie. Des portions de cette solution mère de l'initiateur sont ajoutés dans des flacons qui contiennent des quantités variées d'un photodégradables bis-norbornène agent de réticulation. L'exposition à la réticulation lance une série de brosse cinétique contrôlée + brosse et étoiles + étoiles réactions de couplage qui donne finalement BASPs avec des noyaux composés de l'agent de réticulation et couronnes composé de PEG. La taille finale BASP dépend de la quantité d'agent de reticulation ajouté. Nous réalisons la synthèse de trois BASPs sur la paillasse sans précautions spéciales pour éliminer l'air et de l'humidité. Les échantillons sont caractérisés par chromatographie par perméation de gel (GPC), les résultats concordent étroitement avec notre précédent rapport qui a utilisé la boîte à gants () des conditions inertes. Principales caractéristiques pratiques, les avantages et les inconvénients potentiels de la méthode de la brosse sont d'abord discutées.
Introduction
Nanoparticules polymériques ont été largement étudiés pour leur utilisation potentielle comme plates-formes pour l'administration de médicaments, la catalyse supportée, l'imagerie biologique, et l'auto-assemblage 1-3. Les applications modernes exigent que les synthèses de nanoparticules être facile, reproductible, compatible avec les fonctionnalités chimiques, et se prêtent à la diversification 4,5. Polymérisation par métathèse par ouverture de cycle (ROMP) de oléfines contraintes est une méthode puissante pour la synthèse de nanostructures polymères fonctionnels avec des tailles contrôlées et des distributions étroites de masse 1,6-8. Par exemple, le poly-norbornène fonctionnalisé (éthylène glycol) (PEG) macromonomères (MMS) peut être efficacement polymérisés via ROMP pour produire des polymères solubles dans l'eau de goupillon. En utilisant cette approche, les nanostructures qui portent de multiples molécules de médicaments libérables, des fluorophores, des agents de contraste spin-peuvent être préparés rapidement et en parallèle 6, 9, 10.
ROMP a également été utilisé pour la synthèse «arm-first» des polymères en étoile. Dans le procédé de bras et unième, des polymères linéaires sont réticulées avec un agent de réticulation multi-fonctionnel pour obtenir des nanostructures sphériques avec les bras polymères. Schrock et ses collaborateurs ont rapporté la première synthèse de polymères en étoile ROMP bras-première par réticulation de norbornène, dicarbomethoxynorbornadiene, et triméthylsilyle protégée dicarboxynorbornene polymères linéaires avec un norbornène réticulant bifonctionnel. 11, 12 Buchmeiser a étendu cette méthodologie pour la synthèse de matériaux à gamme d'applications qui incluent la catalyse supportée, l'ingénierie tissulaire, et la chromatographie 13-17. Otani et collègues ont fait des nanoparticules de polymères en étoile avec des surfaces fonctionnelles via une stratégie liée "in-out" polymérisation 18, 19.
La plupart des polymérisations de bras-première impliquent une interaction complexe de monomères, polymères, et couplage étoile réactions. The-ci procède par un mécanisme de croissance par étapes qui conduit généralement à large poids moléculaire (MW) de distributions. Pour contourner cette limitation en transfert d'atomes réactions connexes de polymérisation radicalaire de bras-première, Matyjaszewski et collègues effectuées bras-première réticulation de polymères préformés MMS pour fournir des polymères en étoile avec des distributions de MW très étroites 20. Dans ce cas, l'encombrement stérique des MMS, et l'augmentation du rapport de bras de étoiles à l'initiation des sites, inhibés processus de couplage étoile + étoiles mal contrôlées, et conduit à un mécanisme de croissance de la chaîne de la vie.
Quand nous avons essayé la même stratégie dans le contexte de ROMP norbornène avec un PEG à terminaison-MM et un agent de réticulation bis-norbornène, les polymères en étoile avec des distributions très larges, MW multimodaux ont été obtenus. Ce résultat suggère que, dans ce système, le MM seul n'était pas suffisamment volumineux pour inhiber étoile + couplage en étoile. Pour augmenter l'encombrement stérique des bras des étoiles, et de limiter potentiellement ce uncontrocouplage lled, nous avons tenté d'abord polymériser le MM pour former des polymères bouteille-brosse en l'absence d'agent de réticulation, puis ajouter l'agent de réticulation. Nous avons été heureux de constater que, sous certaines conditions, cette méthode "brosse d'abord" fourni un accès direct à "brosse-bras polymères en étoile» (de BASPs) avec des distributions de MW étroites et noyau accordable et fonctionnalités corona.
Nous avons récemment rapporté la synthèse de BASPs PEG utilisant Grubbs 3 ème génération catalyseur A (Figure 1) 21 ROMP brosse-première. Dans ce travail, l'exposition de PEG-MM B au catalyseur A généré un pinceau macroamorceur vivant avec une longueur de colonne vertébrale définie (B1, Figure 1). Transfert des aliquotes de la B 1 à fioles qui contenaient différentes quantités d'agent de réticulation C initié BASPformation. Le MW, et donc la taille, des BASPs augmenté géométriquement avec la quantité de C ajoutée. Nous avons fourni une hypothèse mécaniste de ce processus de croissance géométrique et démontré que les core-et BASPs fonctionnels, nitroxydes corona marqué pourraient être aisément préparés sans la nécessité d'une post-polymérisation étapes de modification ou l'ajout de monomères séquentielles. Cependant, dans tous les exemples rapportés, nous étions préoccupés par la désactivation du catalyseur, nous avons effectué toutes les réactions sous atmosphère de N2 dans une boîte à gants.
Depuis notre premier rapport, nous avons constaté que la méthode de la brosse-première est très efficace pour la formation de BASPs d'un large éventail de MMS norbornène terminaison et des agents de réticulation fonctionnels. Nous avons également découvert que le procédé peut être réalisé sur la paillasse sans précautions spéciales pour éliminer l'air ou l'humidité.
Ici, une série de trois différentes BASPs de MW sera synthesized par la méthode de la brosse-première dans les conditions ambiantes. En bref, 10 équivalents de B seront exposés à 1,0 équivalent de catalyseur A (Figure 1a) pendant 15 minutes pour donner un BI avec un degré moyen de polymérisation (DP) de 10. Trois aliquotes de ce lot de BI seront transférés dans des flacons séparés qui contiennent 10, 15, et 20 équivalents (N, figure 1b) de C. Après 4 heures, les polymérisations sont trempées par addition d'éther de vinyle et d'éthyle. Les MW polymères en étoile et les distributions MW vont être caractérisés en utilisant un instrument de chromatographie par perméation de gel équipé d'un détecteur de diffusion de lumière laser multi-angles (GPC-MALLS).
Protocol
Representative Results
Discussion
Le principal avantage de la synthèse de BASP brosse première est la capacité à synthétiser rapidement nanostructures de taille diverse et composition en parallèle sans avoir besoin d'équipement spécialisé. Dans cette étude, nous démontrons la méthode de synthèse de brosse en utilisant un premier norbornène macromonomère PEG fonctionnalisé (B, figure 1) et un agent de réticulation de type ester de nitrobenzyle bis-norbornène (C, figure 1). Les cha?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous remercions le ministère de MIT de chimie et de l'Concepts Comité Lincoln du MIT Labs avancée pour soutenir ce travail.
Materials
| 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 |
References
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