Partikel ohne Box: Bürsten erste Synthese von Photochemisch PEG-Sterne-Polymers unter Umgebungsbedingungen
Summary
Poly (Ethylenglycol) (PEG) Pinsel-Arm-Sternpolymeren (BASPs) mit schmalen Massenverteilungen und abstimmbare nanoskopische Größen werden über Ringöffnungsmetathese (ROMP) einer PEG-Norbornen Macromonomer gefolgt von der Übertragung von Teilen der resultierenden Lebens synthetisiert Pinsel Initiator Fläschchen mit verschiedenen Mengen eines starren, foto spaltbare bis-Norbornen Vernetzer.
Abstract
Praktische Methoden für die schnelle, parallele Synthese von funktionalisierten Nanopartikeln vielfältig ermöglicht Entdeckung von neuen Formulierungen für Drug-Delivery, biologische Bildgebung und unterstützt Katalyse. In diesem Bericht zeigen wir, Parallelsynthese von Pinsel-Arm-Sternpolymer (BASP)-Nanopartikel von der "Pinsel-first"-Methode. In diesem Verfahren wird ein Norbornen-Poly (Ethylenglycol) (PEG) Makromonomeren (PEG-MM) zunächst über Ringöffnungsmetathese-Polymerisation (ROMP) polymerisiert, um einen Wohn Pinsel Makroinitiator zu generieren. Aliquots dieser Initiator-Stammlösung werden zu Fläschchen, die verschiedenen Mengen eines photoabbaubare bis-Norbornen Vernetzer enthalten aufgenommen. Die Exposition gegenüber Vernetzer initiiert eine Reihe von kinetisch gesteuerter Bürste + Pinsel und Sterne + Sterne Kupplungsreaktionen, die letztlich ergibt BASPs mit Kernen der Vernetzer und Kronen von PEG umfasste zusammen. Die endgültige BASP Größe hängt von der Menge an Vernetzungsmittel zugesetzt. Wir führen die synThese drei BASPs am Prüfplatz ohne besondere Vorkehrungen, um Luft und Feuchtigkeit zu entfernen. Die Proben werden durch Gelpermeationschromatographie (GPC) charakterisiert; Ergebnisse vereinbart eng mit unseren früheren Bericht, inert (Handschuhfach) Bedingungen genutzt. Schlüssel praktischen Eigenschaften, Vorteile und mögliche Nachteile des bürsten ersten Verfahren werden diskutiert.
Introduction
Polymere Nanopartikel sind weit verbreitet für ihre mögliche Verwendung als Plattformen für die Arzneimittelabgabe, unterstützte Katalyse, Bio-Imaging und Selbstorganisation 3.1 untersucht. Moderne Anwendungen erfordern, dass Nanopartikel-Synthese leicht, reproduzierbar mit chemischen Funktionalitäten kompatibel und zugänglich Diversifizierung 4,5 sein. Ringöffnungs-Metathese-Polymerisation (ROMP) gespannter Olefine ist eine leistungsfähige Methode für die Synthese von funktionalisierten Polymernanostrukturen mit kontrollierten Größen und schmale Massenverteilungen 1,6-8. Zum Beispiel kann Norbornen-funktionalisierten Poly (ethylenglycol) (PEG)-Makromonomeren (MM) effizient über ROMP polymerisiert, um wasserlösliche Flaschenbürstenpolymeren zu erzeugen. Mit diesem Ansatz können Nanostrukturen, die mehrere lösbare Wirkstoffmoleküle, Fluorophore und Spin-Kontrastmittel führen schnell und parallel 6, 9, 10 hergestellt werden.
ROMP hat auch die "arm-first"-Synthese von Sternpolymeren verwendet. In dem Arm ersten Verfahren werden lineare Polymere mit einem multifunktionalen Vernetzungsmittel vernetzt wird, um kugelförmige Nanostrukturen mit Polymerarme geben. Schrock und Mitarbeiter berichteten über die erste Arm-first ROMP Synthese von Sternpolymeren durch Vernetzung von Norbornen, dicarbomethoxynorbornadiene und Trimethylsilyl geschützten dicarboxynorbornene lineare Polymere mit einem bifunktionellen Vernetzungsmittel Norbornen. 11, 12 Buchmeiser hat diese Methode für die Synthese von Stoffen mit einem erweiterten Palette von Anwendungen, die unterstützt Katalyse, Gewebetechnik und Chromatographie 13-17 enthalten. Otani und Mitarbeiter haben Stern-Polymer-Nanopartikel mit funktionalen Oberflächen über einen Zusammenhang mit "in-out"-Strategie Polymerisation 18, 19 gemacht.
Die meisten Arm ersten Polymerisationen umfassen ein komplexes Zusammenspiel von Monomer, Polymer und Sterne Kupplungsreaktionen. The letztere verläuft über eine Stufenwachstumsmechanismus, der in der Regel führt zu breiten Molekulargewicht (MW)-Distributionen. Um diese Einschränkung in verwandten Arm-first Atomtransferradikalpolymerisation Reaktionen zu überwinden, Matyjaszewski und Mitarbeiter durchgeführt Arm-first Vernetzung von vorgeformten polymeren MMs Sternpolymere mit sehr schmalen MW-Distributionen 20 bereitzustellen. In diesem Fall ist der Raumbedarf der MM und die erhöhte Verhältnis der Sternarme zu Websites Initiation, gehemmt schlecht kontrolliert Sterne + Sterne Kupplungsverfahren und führte zu einer lebendigen, Kettenwachstumsmechanismus.
Wenn man versucht die gleiche Strategie im Rahmen der ROMP mit einem Norbornen-terminiertes PEG-MM und einem Bis-norbornen Vernetzer wurden Sternpolymere mit sehr breiten, multimodale MW-Verteilungen erhalten. Dieses Ergebnis legt nahe, dass in diesem System allein die MM nicht hinreichend sperrig Sterne + Sterne Kupplung hemmen. Um den Raumbedarf der Sternarme erhöhen und möglicherweise dieses uncontro begrenzenlled Kopplung haben wir versucht, die ersten polymerisieren MM Flaschenbürste Polymere bilden in Abwesenheit von Vernetzer und fügen Sie den Vernetzer. Wir waren erfreut, dass unter bestimmten Voraussetzungen, diese "Pinsel-first"-Verfahren bereitgestellt, unkomplizierten Zugang zu "Pinsel-Arm-Sternpolymere" (BASPs) mit schmaler MW-Distributionen und abstimmbare Kern und Korona-Funktionalitäten.
Wir berichteten kürzlich über die Bürsten ersten ROMP Synthese von PEG BASPs mit Grubbs-Katalysator der 3. Generation A (Abbildung 1) 21. In dieser Arbeit, die Exposition von PEG-MM B Katalysator A erzeugt eine lebendige Pinsel Makroinitiator mit definierten Rückgrat Länge (B1, Abbildung 1). Übertragung von Aliquots der B 1 bis Fläschchen, die unterschiedliche Mengen von Vernetzungsmittel C enthielt eingeleitet BASPBildung. Die MW und damit die Größe der BASPs erhöht geometrisch mit der Menge an C zugegeben. Wir stellten eine mechanistische Hypothese dieser geometrischen Wachstumsprozess und gezeigt, dass funktionelle Nitroxid Kern-und Corona-markierten BASPs ohne weiteres ohne Modifikation nach der Polymerisation oder sequentiellen Schritte Monomer Zusätze hergestellt werden. Doch in all den beschriebenen Beispiele, waren wir besorgt über die Deaktivierung des Katalysators, führten wir alle Reaktionen unter N 2-Atmosphäre in einem Handschuhfach.
Seit unserem ersten Bericht haben wir festgestellt, dass die Bürsten erste Methode ist sehr effektiv für die Bildung von BASPs aus einer breiten Palette von Norbornen-terminierte MMs und funktionelle Vernetzer. Wir haben auch entdeckt, dass das Verfahren am Prüfplatz ohne besondere Vorkehrungen durchgeführt, um Luft und Feuchtigkeit zu entfernen.
Hier wird eine Reihe von drei BASPs unterschiedlicher MW sy werdendurch die Bürsten ersten Verfahren unter Umgebungsbedingungen nthesized. Kurz gesagt, werden 10 Äquivalente von B bis 1,0 Äquivalente Katalysator A (Fig. 1a) für 15 min ausgesetzt, um ein BI mit einem durchschnittlichen Polymerisationsgrad (DP) von 10 zu ergeben. Drei Aliquote dieser Charge von BI wird auf separaten Fläschchen, die 10, 15 enthalten, übertragen werden, und 20 Äquivalente (N, 1b) des C. Nach 4 h wird die Polymerisation durch Zugabe von Ethylvinylether werden. Die Sternpolymer MW und MW-Distributionen mit einem Gelpermeationschromatographie Instrument mit einem Mehrwinkel-Laserlichtstreudetektor (GPC-MALLS) ausgestattet charakterisiert werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der entscheidende Vorteil der Bürsten ersten BASP Synthese ist die einzigartige Fähigkeit, schnell zu synthetisieren Nanostrukturen unterschiedlicher Größe und Zusammensetzung parallel, ohne dass eine spezielle Ausrüstung. In dieser Studie zeigen wir die Bürsten erstes synthetisches Verfahren unter Verwendung eines Norbornen-funktionalisierte PEG Makromonomer (B, Fig. 1) und ein Bis-norbornen Nitrobenzylester Vernetzer (C, Fig. 1). Die PEG-Ketten von …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken dem MIT-Institut für Chemie und MIT Lincoln Labs Advanced Concepts Komitee für die Unterstützung dieser Arbeit.
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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