חלקיקים ללא תיבה: סינתזה המברשת הראשונה של Photodegradable פולימרים הכוכבים PEG בתנאי הסביבה
Summary
פולי (אתילן גליקול) (PEG) פולימרים כוכב מברשת זרוע (BASPs) עם הפצות המוניות צרות וגדלים הננוסקופי מתכונן מסונתזים בבאמצעות פילמור טבעת פתיחת metathesis (להשתובב) של macromonomer PEG-norbornene אחרי העברה של חלקים מחיים וכתוצאה מכך יוזם מברשת לבקבוקונים המכילים כמויות שונות של crosslinker bis-norbornene נוקשה, צילום cleavable.
Abstract
שיטות נוחים לסינתזה המהירה, המקבילה של חלקיקים פונקציונליות diversely תאפשר גילוי של ניסוחים חדשניים לאספקת סמים, הדמיה ביולוגית, וקטליזה נתמכת. בדו"ח זה, אנו מדגימים סינתזה מקבילה של פולימר כוכב מברשת זרוע חלקיקים (BASP) על ידי "המברשת הראשונה" השיטה. בשיטה זו, poly-הסתיים norbornene (אתילן גליקול) (PEG) macromonomer (PEG-MM) הוא polymerized הראשון באמצעות פילמור פתיחת טבעת metathesis (להשתובב) כדי ליצור macroinitiator מברשת חיים. Aliquots של פתרון מניות יוזם זה מתווספים לבקבוקונים המכילים כמויות שונות של crosslinker bis-norbornene photodegradable. חשיפה לcrosslinker יוזם שורה של מברשת kinetically מבוקר + מברשת ותגובות צימוד + כוכב כוכב שסופו של דבר תשואות BASPs עם ליבות מורכבות מcrosslinker והעטרות המורכב של PEG. גודל BASP הסופי תלוי בכמות crosslinker הוסיפה. אנו מבצעים synתזה של שלוש BASPs על benchtop ללא אמצעי זהירות מיוחד כדי להסיר אוויר ולחות. הדגימות מאופיינות בכרומטוגרפיה חלחול ג (GPC); תוצאות הסכימו בשיתוף פעולה הדוק עם הדו"ח הקודם שלנו שמנוצל תנאי אינרטי (תא כפפות). תכונות עיקריות מעשיות, יתרונות, וחסרונות פוטנציאליים של שיטת המברשת הראשונה הם דנו.
Introduction
חלקיקים פולימריים נחקרו בהרחבה לשימושם הפוטנציאלי כפלטפורמות לאספקת סמים, קטליזה נתמכת, הדמיה ביולוגית, והרכבה עצמית 1-3. יישומים מודרניים דורשים כי סינתזות nanoparticle להיות קלילה, לשחזור, תואמים עם פונקציות כימיות, וניתנים לגיוון 4,5. פילמור טבעת פתיחת metathesis (להשתובב) של אולפינים מתוחים הוא מתודולוגיה רבת עוצמה לסינתזה של ננו פולימרים הפונקציונלי עם גדלים נשלטו והפצות המוניות צרות 1,6-8. לדוגמא, פולי פונקציונליות norbornene (אתילן גליקול) macromonomers (PEG) (MMS) ניתן polymerized יעילות באמצעות השתובב ליצור פולימרים בקבוק מברשת מסיסים במים. השימוש בגישה זו, ננו שנושא מולקולות מרובות releasable סמים, fluorophores, וסוכני ספין ניגוד ניתן להכין במהירות ובמקביל 6, 9, 10.
ROMP שימש גם לסינתזת "זרוע האחת" של פולימרים כוכב. בשיטת הזרוע הראשונה, פולימרים ליניארי הם crosslinked עם crosslinker רב תפקודי לתת ננו הכדורי בזרועות פולימריים. שרוק ועמיתים לעבודה דיווחו סינתזת השתובב הראשונה הזרוע הראשונה של פולימרים כוכב באמצעות crosslinking של norbornene, dicarbomethoxynorbornadiene, ופולימרים ליניארי dicarboxynorbornene trimethylsilyl מוגנים עם crosslinker norbornene bifunctional. 11, 12 Buchmeiser האריך מתודולוגיה זו לסינתזה של חומרים בעלי מגוון רחב של יישומים הכוללים קטליזה נתמכת, הנדסת רקמות, ו13-17 כרומטוגרפיה. אוטאני ועמיתים לעבודה הפכו את חלקיקי פולימר כוכב עם משטחים פונקציונליים באמצעות קשורות אסטרטגיה "ב- out" פילמור 18, 19.
רוב polymerizations הזרוע הראשונה כרוך ביחסי גומלין מורכבים של תגובות מונומר, פולימר, וצימוד כוכב. הדואר התמורה האחרונה באמצעות מנגנון שלב צמיחה, כי בדרך כלל מוביל למשקל מולקולרי רחב הפצות (MW). כדי להתגבר על מגבלה זו בתגובות הקשורות הזרוע הראשונה העברת אטום רדיקלית פילמור, Matyjaszewski ועמיתים לעבודה שבוצעו crosslinking הזרוע הראשונה של MMS פולימריים preformed לספק פולימרים כוכב עם הפצות MW צרות מאוד 20. במקרה זה, התפזורת סטרית של MMS, והיחס המוגבר של זרועות כוכבים לייזום אתרים, עכבו תהליכי צימוד + כוכב כוכב מבוקר היטב, והובילו לחיים, מנגנון צמיחת שרשרת.
כשניסינו את אותה אסטרטגיה בהקשר של השתובב עם-הסתיים norbornene PEG-MM וcrosslinker bis-norbornene, פולימרים כוכב עם הפצות רחבות מאוד, רב מודלים MW התקבלו. תוצאה זו הציעה כי במערכת זו MM לבד לא היה מספיק מגושם לעכב כוכב + צימוד כוכב. כדי להגדיל את חלק הארי הסטרי של זרועות כוכבים, ואפשרות להגביל uncontro זהlled צימוד, ניסיתי ראשון פלמר MM כדי ליצור פולימרים בקבוק מברשת בהעדר crosslinker ולאחר מכן להוסיף את crosslinker. היינו שמחים לגלות כי בתנאים מסוימים, "המברשת הראשונה" שיטה זו סיפקה גישה ישירה ל" פולימרים מברשת זרוע כוכבים "(BASPs) עם הפצות צרות MW וליבה מתכונן ופונקציונליות קורונה.
לאחרונה דיווחו סינתזת השתובב המברשת הראשונה של BASPs PEG באמצעות גרובס 3 דור שלישי זרז (איור 1) 21. בעבודה זו, חשיפה של PEG-MM B לזרז שנוצרה macroinitiator מברשת מגורים עם אורך עמוד השדרה מוגדר (B1, איור 1). העברת aliquots של B 1 לבקבוקונים שהכילו כמויות שונות של crosslinker C יזמה BASPהיווצרות. מגה וואט, ולכן הגודל, של BASPs עולים בטור גיאומטרי עם הכמות של C הוסיפו. אנחנו סיפקנו השערה מכניסטית לתהליך צמיחה גיאומטרי זה והוכיחו כי וליבת BASPs הפונקציונלי, nitroxide כותרת העטרה יכולה להיות מוכן בקלות ללא הצורך בצעדי שינוי ההודעה פילמור-או תוספות מונומר רציפים. עם זאת, בכל דוגמאות שדווחו, היינו מודאגים לגבי שחרור משרות זרז, ואף בצענו את כל התגובות תחת N 2 אווירה בתוך תא כפפות.
מאז הדו"ח הראשוני שלנו, מצאנו כי שיטת המברשת הראשונה היא יעילה מאוד ליצירת BASPs ממגוון רחב של MMS-הסתיים norbornene וcrosslinkers הפונקציונלי. יש לנו גם גילינו שהשיטה יכולה להתבצע על המעבדתיים ללא אמצעי זהירות מיוחד כדי להסיר אוויר או לחות.
בזאת, סדרה של שלוש BASPs של MWS השונה תהיה סאיםnthesized בשיטת המברשת הראשונה בתנאי סביבה. בקיצור, 10 שווה של B יהיה חשוף ל1.0 שווה של זרז (איור 1 א) ל15 דקות להניב BI עם תואר ממוצע של פילמור (DP) של 10. שלושה aliquots של אצווה זו של BI יועברו לצלוחיות נפרדות המכילות 10, 15, ו20 שווה (N, איור 1b) של C. לאחר 4 שעות, polymerizations יהיה הרווה באמצעות תוספת של אתר ויניל אתיל. MWS פולימר כוכב והפצות MW יאופיינו באמצעות מכשיר כרומטוגרפיה חלחול ג מצויד בגלאים רב זווית פיזור אור הלייזר (GPC קניונים).
Protocol
Representative Results
Discussion
יתרון המפתח של סינתזת BASP המברשת הראשונה הוא היכולת הייחודית לסנתז במהירות ננו בגודל ובהרכב מגוונים במקביל ללא צורך בציוד מיוחד. במחקר זה, אנו מדגימים את השיטה סינתטית המברשת הראשונה באמצעות norbornene macromonomer פונקציונליות PEG (ב ', איור 1) וcrosslinker אסתר nitrobenzyl b…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים למחלקה לכימיה ב-MIT והוועדה מושגי MIT לינקולן מעבדות מתקדמות לתמיכה בעבודה זו.
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
- Bielawski, C. W., Grubbs, R. H. Living ring-opening metathesis polymerization. Prog. Polym. Sci. 32, 1-29 (2007).
- Hawker, C. J. The Convergence of Synthetic Organic and Polymer Chemistries. Science. 309, 1200-1205 (2005).
- 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).
- Whitesides, G. M. Nanoscience, Nanotechnology, and Chemistry. Small. 1, 172-179 (2005).
- Leitgeb, A., Wappel, J., Slugovc, C. The ROMP toolbox upgraded. Polymer. 51, 2927-2946 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bazan, G. C., Schrock, R. R. Synthesis of star block copolymers by controlled ring-opening metathesis polymerization. Macromolecules. 24, 817-823 (1991).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Gao, H., Ohno, S., Matyjaszewski, K. Low Polydispersity Star Polymers via Cross-Linking Macromonomers by ATRP. J. Am. Chem. Soc. 128, 15111-15113 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- Burchard, W. Solution properties of branched macromolecules. Adv. Polym. Sci. 143, 113-194 (1999).
- Gao, H. F. Development of Star Polymers as Unimolecular Containers for Nanomaterials. Macromol. Rapid Comm. , 722-734 (2012).
- 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).
- 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).
