Waiting
Login processing...

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

Chemistry

חלקיקים ללא תיבה: סינתזה המברשת הראשונה של Photodegradable פולימרים הכוכבים PEG בתנאי הסביבה

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

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).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

אנחנו הראשונים לתאר את הסינתזה וטיהור של PEG-MM B מ 3 גליקול kDa O-(2-aminoethyl) פוליאתילן (PEG-NH 2) וnorbornene-N-hydroxysuccinimidyl אסתר (NHS). המתחם לשעבר ניתן לרכוש מסיגמה אולדריץ Inc, או שהוכן באמצעות פילמור אניוני על פי נהלי ספרות 22,23. המתחם האחרון יכול להיות מוכן בשני שלבים על פי נוהל שפורסם 21. הבא אנו מתארים סינתזה של זרז מזרז דור nd זמין מסחרי גרובס 2. לאחר מכן, אנו מדגימים את השימוש במתחם זה לסינתזת BASP מברשת הראשונה. ניסוי זה מפרט את ההליך להכנת BASPs עם N = 10, 15, ו20 מBI עם DP = 10. כל התגובות בוצעו במנדף באמצעות בקבוקוני נצנץ סטנדרטיים.

זהירות: לובש תמיד כפפות, חלוק לבן, ומעבדהמשקפיים, ולפי נהלי בטיחות במעבדות נפוצים בעת עבודה עם חומרים כימיים מסוכנים. כל ממס אורגני חייב להיות מטופלים במנדף. אפשר לשקול את מוצקים במאזן מחוץ למכסת מנוע קטר. כימיקלים לא צריכים לבוא במגע עם עור, עיניים ופה. מומלץ בחום לקרוא את MSDS לכל ממס ומוצק המשמש בהליך זה לפני שמתחיל.

1. הכנה של PEG-MM B

  1. הוספת PEG-NH 2 (מ"ג 300, 0.0001 mol, 1.0 EQ) לבקבוקון נצנץ 40 מיליליטר מצויד בבר ומערבב.
  2. ממיסים את 2 ב 3 מיליליטר PEG-NH של N נטול מים, N-dimethylformamide (DMF).
  3. הוספת 36 מ"ג אסתר norbornene-NHS (.000105 mol, 1.05 EQ) 21.
  4. מכסה את הבקבוקון ומערבבים תערובת תגובת לילה בטמפרטורת חדר.
  5. הסר את בר והמערבב ומוסיף אתר diethyl לפתרון התגובה כדי לזרז PEG-MM B.
  6. סנן הלבנה השפעתffy לזרז הרחבה ולשטוף עם אתר diethyl. לחלופין, להעביר את ההשעיה לצינור 50 מ צנטריפוגות, צנטריפוגות ב 4,000 סל"ד במשך 5 דקות בטמפרטורת חדר, ולאחר מכן למזוג supernatant. הוספת אתר טרי diethyl, צנטריפוגות, ולמזוג שוב. אנו ממליצים לחזור על 3x הליך זה בסכום כולל של 5x.
  7. ייבש את המשקע תחת ואקום ל24 שעות כדי להסיר אתר diethyl שיורית.

2. טיהור של PEG-MM

בדו"ח הקודם שלנו, PEG-MM B הוכן מPEG-NH זמין מסחרי 2 ושימש לסינתזת BASP ללא טיהור נוספת לאחר הייבוש (כלומר, אחרי צעד 1.7). במחקר זה, אנו להשתנות PEG-NH מקור 2 (המסחרי לעומת תוצרת בית), ונשווה את תוצאות היווצרות BASP לפני ואחרי הטיהור גבוה כרומטוגרפיה נוזלי ביצועי preparative קפדני יותר (הכנה-HPLC) MM. בהמשכו של מחקר זה, ד"רMM מטען המתקבל לאחר צעד 1.7 נקרא B1 כ. Prep-HPLC שימשה לטהר B1 לתת B2. MM מטוהר מקביל prep-HPLC המסונתזת במעבדה שלנו באמצעות פילמור אניוני נקרא B3. Prep-HPLC בוצעה באמצעות קולטר HPLC בקמן (מודול ממס 127p ומודול גלאי 166p) עם לולאת מדגם 1-מיליליטר ועמודה הפוך שלב Agilent Zorbax 300SB-C18 PrepHT בטמפרטורת חדר.

  1. הגדרת HPLC עם ממס: מים deionized (מערכת Millipore טיהור, 18.2 Ω) עם 1% חומצה אצטית, B ממס: אצטוניטריל.
  2. משאבות ראש ולאזן טור עם 95% A ו-B 5%
  3. לפזר PEG-MM באצטוניטריל או MeOH (150 מ"ג / מיליליטר).
  4. לסנן דרך מסנן מזרק ניילון 13 מ"מ 0.45 מיקרומטר.
  5. שיטת HPLC קבע:
    - שיעור זרימה: 20 מיליליטר / דק '
    - דקות 0-1: שיפוע ליניארית 10% B ו 90%
    - 1-10 דקות: Lineaשיפוע r 90% B ו 10%
    - 10-13 דקות: מתג לתנאי התחלה (5% B ו 95%) ולאזן מחדש את עמודה
    - גלאי UV הגדר כדי לזהות הספיגה ב 256 ננומטר
  6. טען 0.8 מיליליטר של מדגם על לולאת המדגם.
  7. הזרק מדגם.
  8. לאסוף את שיא הספיגה העיקרי (בתנאים שצוינו, מוצר elutes בין 5-7 דק ').
  9. חזור על פעולה במידת צורך. שלב את השברים טהורים יחד בבקבוק מסביב לתחתית.
  10. הסר את כל הממס באמצעות אידוי סיבובי.
  11. Redissolve המוצר בdichloromethane ולהוסיף נתרן גופרתי. נער בעדינות או לעורר את הבקבוק מעת לעת ל≅ 1 שעות.
  12. סנן את התערובת באמצעות מסנן זכוכית fritted.
  13. תתרכז באמצעות אידוי סיבובי. יבש תחת ואקום הלילה.
  14. ניתן לאפיין PEG-MM על ידי 1 H-NMR בתקליטור 2 Cl 2 (15-20 מיליליטר mg/0.7 CD 2 Cl 2, D1-500MHz ומעלה מומלץ עם מעל 128 סריקות ועיכוב רגיעה,= 2.0 שניות), וMALDI-TOF שימוש במצב חיובי יינון ו 2 - (4-hydroxyphenylazo) חומצת benzoic כמטריצת MALDI.
  15. ניתן לאחסן PEG-MM במשך חודשים בבקבוקון נצנץ ב 4 ° C.

3. הכנת Catalyst

  1. הוסף 2 זרז גרובס דור nd (500 מ"ג, 0.589 mmol) ל20 מיליליטר בקבוקון מאובזר עם בר ומערבב.
  2. הוספת פירידין (כ .474 מיליליטר, 5.89 מילימול, 10 EQ) לבקבוקון. צבע הפתרון צריך מייד לשנות מאדום לירוק. אפשר התגובה לבחוש עד שכל הצבע האדום נעלמה והפתרון הפך צמיג (15-30 דק ').
  3. מלא את בקבוקון התגובה עם פנטן הקר כדי לזרז מורכב.
  4. סנן את ההשעיה כדי לאסוף את המשקע הירוק (זרז). לשטוף 4x עם 15 מיליליטר של פנטן הקר.
  5. ייבש את מוצק הירוק תחת ואקום לילה.
  6. יכול להיות מורכבהמאוחסן במשך חודשים בטמפרטורת חדר בתא ייבוש המעבדתיים ללא אובדן משמעותי של פעילות. לאמצעי זהירות נוסף, אנחנו בדרך כלל לאחסן המורכבים במקפיא -20 ° C בתוך תא כפפות. כמויות לנוחיותכם, אנו שוקלים מראש ידועים של ל4 בקבוקוני נצנץ מיליליטר מייד לאחר הייבוש (שלב 3.5). לאחר מכן, אנו לאחסן הבקבוקונים האלה במקפיא תא הכפפות. כאשר מוכן לרוץ תגובה להשתובב, פשוט אנחנו לוקחים בקבוקון אחד מתוך תא הכפפות ולהשתמש כמתואר להלן (שלב 4.4).

4. הכנת מלאי הפתרון של חיים מברשת פולימרים (BI) עם DP = 10

  1. ב3 מיליליטר הבקבוקון עם כובע בורג גז חזק מצויד בבר ומערבב, לשקול את 65 מ"ג (0.020 מילימול, 10 EQ) של MM B. סכום זה תואם את 20 מ"ג של MM לכל אחת מ3 הגדלים שונים של BASPs, ו -5 שאריות מ"ג לניתוח GPC של BI. השתמש במרית כדי להוסיף את MM ישירות לחלק התחתון של הבקבוקון. Try כדי למנוע חומר מהקפדה על הצדדים של הבקבוקון כתרחיש זה עלול להוביל לזיהום MM במוצר BASP הסופי.
  2. ממיסים את MM B ב158 μl של THF. מייד מכסה את הבקבוקון לאחר הוספת THF, כדי למנוע אידוי ממס. שים לב: הריכוז הסופי של MM במהלך פילמור צריך להיות 0.05 M. אם 158 μl של THF מתווסף כאן, אז 243 μl של פתרון זרז, צעד 4.4, יתווסף לתת 401 μl בסך הכל THF, אשר תואם את [MM ] = 0.05 מ 'הסכום של ממס במהלך שלב זה יכול להיות מגוון, כל עוד הסכום של ממס במהלך שלב 4.4 הוא מגוון גם לתת [MM] 0.05. מצאנו כי polymerizations בוצע עם [MM] <0.05 לפעמים לא להמשיך להשלים את ההמרה.
  3. תן הפתרון מערבב עד שכל MM הוא מומס. מחממים קל במידת צורך. הימנע מהתזת הפתרון צמיג על הצדדים או הכובע של הבקבוקון.
  4. בשלב הבא, להוסיף כמות ידועה (2.8מ"ג לדוגמא זו) של זרז ל3 מיליליטר בקבוקון (או להשיג בקבוקון עם זרז שקל מראש). הוספת THF נטול מים (466 μl בדוגמא זו) כדי לתת פתרון זרז 6 מ"ג / מיליליטר. מכסה את הבקבוקון באופן מיידי. לאפשר הזרז ללהתמוסס לחלוטין;. בעדינות לנער את הבקבוקון במידת הצורך יש להשתמש בפתרון זה באופן מיידי זרז להשתובב. הערה 1: פתרון הזרז צריך להיות בצבע ירוק יער. אם הוא שחור, או ירקרק חום, ולאחר מכן היא צפויה מפורקת, וזה כנראה לא יניבו תוצאות משביעות רצון להשתובב. אם פירוק מתרחש, אנו מציעים הכנת זרז טרי (על פי סעיף 3 לעיל), או באמצעות THF טרי מזוקק. הערה 2: הסכום של THF הוסיף לנבחרה כדי להבטיח ש[ MM] הסופי הוא ~ 0.05. סכום זה יכול להיות מותאם, כל עוד התאמות פיצוי נעשות לפתרון MM בשלב 4.2.
  5. הוספת 243 μl (1.46 מ"ג; 1 EQ ל-B BI בBASP הסופי.
  6. כובע הבקבוקון מייד ולתת מערבבים תערובת תגובה במשך 15 דקות כדי ליצור את macroinitiator המברשת (BI).

5. כינונה של BASPs

  1. הוספת 3.6 ± 0.1 מ"ג (6.18 μmol, 10 EQ לסכום של BI שיועבר בשלב 5.2), 5.5 ± 0.1 מ"ג (9.28μmol, 15 EQ לסכום של BI שיועבר בשלב 5.2), ו7.3 ± 0.1 מ"ג (12.4μmol, 20 EQ לסכום של BI שיועבר בשלב 5.2) של C crosslinker לשלוש 3 מיליליטר צלוחיות נפרדות מצוידים בברים ומערבבים. נסה לשקול את crosslinker ישירות על גבי התחתית של הבקבוקון כדי למנוע חומר מהקפדה על הצדדים של הבקבוקון. הערה: crosslinker C אינו מסיס מאוד בTHF. מסיבה זו, משמש המוצק ישירות בשלב זה. במקרים בהם crosslinker הוא מסיס, אז פתרון מניות מרוכז של crosslinker יכול להתבצע וכמויות שונות של פתרון זה יכול להיות מועברות לצלוחיות. שוב, את הריכוז של polymerizations הסופי צריך להיות> 0.05 M; אם הממס מתווסף crosslinker אז ירידה מפצה של ממס צריך להיעשות במקום אחר.
  2. הוספת 123 μl (0.618 μmol) של פתרון BI לכל אחת משלוש המבחנות המכילות C. נסה לשמור את קצה המחט בדיוק מעל crosslinker המוצק כשמוסיף לבקבוקון. מוסיף את פתרון הבינה העסקית בבת אחת ולא dropwise.
  3. מכסה את הבקבוקונים ולעורר התגובות ב RT לעדהשלמה. עם MM הספציפי הזה ושילוב crosslinker, התגובה היא מלאה ב~ 4 שעות; המשיך לבחוש עד 24 שעה אין כל השפעה נראית לעין על צמיחת BASP. לפקח על ידי GPC כדי להבטיח המרה של BI מלא.
  4. להרוות את התגובות על ידי הוספת טיפה אחת של אתר ויניל אתיל לפתרון BI שנותר וכל אחד מN = 10, 15, ו20 תערובות תגובת BASP. מערבבים ל10 דקות כדי להבטיח מרווה שלם.

6. לדוגמא הכנת GPC

תוצאות GPC הקניונים התקבלו במערכת LC Agilent 1260 מצוידים בעמודה Shodex GPC KD-806M, גלאי קניונים וויאט שחר Heleos-II, וגלאים מקדמים שבירה וויאט Optilab T-Rex בטמפרטורת חדר. DMF עם 0.025 M LiBr בקצב זרימה של 1.0 מיליליטר / דקה שימשה כeluent. תוצאות נותחו באמצעות תוכנת אסטרה 6 הניתנת על ידי וויאט.

  1. בעזרת פיפטה זכוכית חדשה לכל בקבוקון תגובה, לטבול את קצה פיפטה לתוך תמיסת התגובה להכין מדגם קטן של התגובה. לשטוף את החלק הפנימי של פיפטה עם 250 μl של 0.025 M LiBr בDMF לתת ריכוז סופי של בערך 3 מ"ג / מיליליטר.
  2. סנן את המדגם בדילול דרך מסנן polytetrafluoroethylene 0.45 מיקרומטר לפני הפקדת המדגם לתוך בקבוקון GPC.
  3. הגדרת ריצות GPC-קניונים ולנתח את התוצאות ברגע שהפועל הושלם.

רשימה של קיצורים:

: זרז bis-פירידין דור השלישי גרובס 3

B: פולי (אתילן גליקול) macromonomer (PEG) (MM)

B1: PEG MM הוכן באמצעות זמין מסחרי (אולדריץ) PEG-NH 2 ושימוש ללא טיהור HPLC.

B2: PEG MM הוכן באמצעות זמין מסחרי (אולדריץ) PEG-NH

B3: PEG MM הוכן באמצעות מסונתז חדש PEG-NH 2 ומשמש לאחר טיהור HPLC.

BASP: פולימר כוכב מברשת זרוע

BI: חיים יוזם מברשת

C: crosslinker photodegradable

D: מדד dispersity המסה טוחנת

DMF: N, N-dimethylformamide

DP: פילמור תואר ממוצע המספר

GPC: כרומטוגרפיה חלחול ג

Prep-HPLC: כרומטוגרפיה נוזלית ביצועים גבוהים preparative

קניונים: פיזור אור הלייזר רב זווית

MM: macromonomer

MW: משקל מולקולרי

w M: מו הממוצע במשקלמסת lar

N: מספר שווה crosslinker (יחס בין C ל)

NHS: N-hydroxysuccinimidyl

PEG: פוליאתילן גליקול

PEG-MM: macromonomer norbornene-PEG (המכונה גם מתחם B)

להשתובב: פילמור metathesis פתיחת טבעת

THF: tetrahydrofuran

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור 2 מראה GPC עקבות עבור מגוון רחב של BASPs הוכן מB1, B2, B3 ו. בכל המקרים, הנתונים ממחישים כי הגדלת שווי של crosslinker (N) מובילה לעלייה בגודל של BASP. כפי שנצפה בדו"ח הקודם שלנו, 10 שווה של crosslinker אינו מספיק כדי להשיג BASPs האחיד; N = 10 המדגם מראה עקבות GPC בבירור רב מודלים עם כמות גדולה של פולימר מברשת שיורי במיוחד במקרה של B1 MM קנה בלתי ( איור 2 א). כמויות גדולות יותר של crosslinker לגרום להפצות MW אחידות עם מברשת שיורי קטנה מאוד וMM. מסת המשקל ממוצע טוחנת (w M) תוכפל בהולכת מN = 15-20. במקרה של B3, לא MM שייר ופחות מ -1% BI שיורי נשאר לN = 15 ו N = 20 המקרים.

איור 1
איור 1. סכמטי למברשת זרוע כוכבים פולימרים (BASP) סינתזה. לוח (א) ממחיש את הסינתזה של 'זרז 3 rd bispyridine הדור () מגרובס זמין מסחרי' גרובס זרז 2 nd דור. מוצגים גם הם המבנים של PEG-MM (B) וcrosslinker (ג) משמש בעבודה זו. לוח (ב) מציג תרשים סכמטי של תהליך המברשת הראשונה. פלמור של PEG-MM (ב ') עם זרז () יוצר יוזם 10 יחידת מברשת חיים (BI), אשר לאחר מכן מתווסף לcrosslinker (C) וכתוצאה מכך היווצרות של BASP. ig1highres.jpg "target =" _blank "> לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

איור 2
איור 2. נציג תוצאות GPC של N = 10, 15, ו20 BASPs הוכן מMMS PEG שונים. פנלים (א), (ב), ו (ג) מתארות נתונים לB1 MMS, B2, B3 ו, בהתאמה. זיהומים מPEG-NH המסחרי 2, MM unreacted, וBI שיורי מסומנים עם כוכביות. ערכי מדד w וdispersity M (ד) מסופקים בטבלאות הבלעה. שים לב שערכי Ð מתקבלים על ידי GPC עבור ננו מסועף מאוד יש לשקול בזהירות 24,25. התצפית של פסגות monomodal, אחידות מצביעה על חלוקה צרה רדיוס חלקיקים.tp_upload/50874/50874fig2highres.jpg "target =" _blank "> לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 bis-norbornene (C, איור 1). PEG רשתות מ-B להקנות מסיסות במים למבנה BASP הסופי. Crosslinker מבוסס nitrobenzyl הוא photodegradable.

נוהל כללי זה יכול להיות שונה עבור MMS אחר Exo-norbornene מבוסס וcrosslinkers. הכנו BASPs מכמה שילובים של שניהם. לדוגמא, יש לנו להשתמש MMS מבוסס norbornene-PEG שנושא תרופות שונות נגד סרטן, nitroxides, וסוכנים בניגוד הדמיה בתהודה מגנטית 27. יש לנו גם בשימוש MMS מורכב מפולימרים אחרים מאשר PEG. מניסיוננו, שיטת המברשת הראשונה יכולה להיות מיושמת כמעט בכל imide Exo-norbornene תפקודי הסתיים MM. במקרים בהם המרות גבוהות של MM לBI (> 95%) אינן מושגות, טומאת MM היא הסביר ביותר האשם (בניגוד לפעילות קטליטית). טיהור יותר קפדני כפי שתואר בדוח זה (prep-HPLC) בדרך כלל מובילה להשתובב המוצלח. שים לב שיש לנו לא ניסיתי polymerizations השתובב עם MMS שנושא קבוצות פונקציונליות לא מוגנות שידועות כי הם מפריעים לזרז (למשל אמינים חופשיים, אולפינים, azides, וכו '). יכולות להיות הציגו קבוצות אלה לאחר סינתזת המברשת הראשונה באמצעות שינוי ההודעה פילמור-27. לדוגמא, הכנו אזיד-BASPs מMMS הליד אלקיל שהוסבו לazides לאחר היווצרות BASP. azides אלו שימשו ללחיצת זרז Cu-אזיד-alkyne חיי בן אשר "&34 #; תגובות.

אנחנו ביקשנו לחקור את ההשפעה של טוהר MM ביתר פירוט. כמויות קטנות של MM השייר וBI תמיד נצפו בGPC עקבות כאשר תגובות המברשת הראשונה בוצעו באמצעות MM מוכן מן 2 (B1, איור 2 א) הזמינים מסחרי PEG-NH. אנחנו למדנו מניסיון שMMS טהור לחלוטין בדרך כלל לתת המרת MM כמותית. יתר על כן, אנו הבחינו כי הסכום של MM שיורי מגוונים בהתאם למספר האצווה של PEG-NH המסחרי 2. אנחנו חשדנו כי PEG-NH 2 טומאה שאינה פונקציונלית, אולי פשוט דיאול PEG, הייתה אחראית לטומאת MM שיורי הנראית לעין. לכן, אנו מנוצלים prep-HPLC לטהר B1 לתת B2 MM הטהור איור 2b מראה כי תהליך טיהור זה אכן להקטין את כמות MM שיורי (כוכב כתום) כ כפול;. זה לא רמויש את זה לגמרי. מעניין, B2 נתן המרה גבוהה יותר של BI לBASPs, כמו גם, אולי טומאה שהובילה לשחרור משרות זרז הוסרה באמצעות הכנה-HPLC. עדיין לא מרוצה מכמות MM שייר, אנחנו אחרי שיטות ספרות לסינתזה של PEG-NH 2 באמצעות פילמור אניוני של אתילן אוקסיד מethanolamine (זהירות: אתילן אוקסיד צריך להיות מטופלים על ידי כימאים מיומנים, מנוסים, הוא דליק מאוד, נפץ , וגז רעיל!). 22,23 MM הוכן מתוצרת PEG-NH 2 (B3 זה) הניב תוצאות משופרות לעומת MMS המסחרי. ניתוח GPC של BASPs המקביל לא הראה MM שיורי לגילוי ומעט מאוד (<1%) (איור 2 ג) BI שיורית. לכן, אם BASPs טוהר גבוה נדרשים אנו ממליצים להשתמש MM האפשרי הטהור ביותר. שימו לב שMM השייר וBI יכולים בקלות להסיר מןBASPs הגדול יותר באמצעות דיאליזה לאחר סינתזת המברשת הראשונה.

יש לנו גם משמש crosslinkers האחר מאשר C. לדוגמא, הכנו BASPs ממתחמי bisnorbornene מתכת, יוזמי פילמור, linkers חומצת cleavable, ומארחים מולקולריים. אנו מוצאים כי crosslinkers עם מפרידי נוקשה בין norbornenes נוטה לספק BASPs האחיד ביותר; crosslinkers כזה נוטה פחות לעבור תגובות cyclization intramolecular שצורכות norbornenes אבל אינו תורם לצמיחת BASP.

ללא קשר לשילוב MM וcrosslinker, אנו מוצאים השיטות הכלליות הבאות יובילו לסיכוי הגבוה ביותר להצלחה של המברשת הראשונה. ראשית, לפני שתנסו סינתזת המברשת הראשונה עם מונומרים מסונתזים חדש, אנו ממליצים לבצע את פולימר מברשת DP = 10 לבד ואולי פולימרים מברשת ארוכים עם DP = 25 ו50. אם בדיקות אלה בהצלחה, יש סיכוי מצוין שהמברשת הראשונהשיטה גם תהיה מוצלחת. שנית, הריכוז האידיאלי לפילמור המברשת הראשונה תלוי בהרכב כימי מונומר ומבנה של הרכיבים. אנו ממליצים לבחון כמה ריכוזים בקנה מידה קטנה לפני ביצוע קבוצה גדולה של BASP. שלישית, polymerizations בוצע בdichloromethane או tetrahydrofuran מופיע כדי לתת את התוצאות הטובות ביותר; מונומרים כי הם מסיסים בממסים אלה הם אידיאליים. כאמור לעיל, אם crosslinker הוא מסיס היטב בממסים אלה אנו ממליצים להוסיף אותה כמוצקים ולא הוספנו ממס נוסף. כל עוד MM הוא מסיס, אנו מוצאים כי crosslinking מביא crosslinker לחלוטין לפתרון בתוך דקות. הרביעית, אם כי פילמור אינו דורש תנאי אינרטי, אנו ממליצים אחסון של הזרז תחת אווירת אינרטי כדי להגדיל את חייו. חשוב לציין, הזרז מתפרק לאורך זמן בפתרון, פתרון הזרז צריך להיות מוכן טרי מca הדור השלישי גרובסtalyst בכל פעם שסדרה של תגובות להשתובב מתבצעת. לבסוף, כמות crosslinker נדרש לBASPs האחיד תשתנה נרחבת עם crosslinker ומבנה MM. כפי שניתן לראות בתרשים 2, 10 equiv של C crosslinker זה לא מספיק כדי לספק המרות BI מלאים. במקרים אחרים, אנו מוצאים בנוסף זה של equiv 1 של crosslinker, ואפילו עד 40 equiv, מספק תוצאות טובות. בכל פעם שcrosslinker חדש הוא לשמש, אנו ממליצים לרוץ סדרה של תגובות בקנה מידה קטנה עם ערכי N שונים לזהות כמויות crosslinker אופטימליות.

בתור הערה סופית, חשוב להכיר בכך שרבים שיטות חלופיות קיימות להכנת פולימרים כוכב דמוית (ליבה אחת, זרוע אחת, וכו ') 25, 26. לכל שיטה יש חסרונות ויתרונות, כגון מגבלות לגודל, דרישות לטיהור, ותאימות קבוצה פונקציונלית. אנו טוענים כי סובלנות הקבוצה הפונקציונלית הרחבה של השתובב,הקלות של סינתזה של מונומרים פונקציונליים מבוסס norbornene, ואת היכולת לבצע תגובות השתובב על benchtop במהירות, במקביל, ובטמפרטורת חדר, להפוך את הגישה להשתובב המברשת הראשונה שיקול שווה עבור מגוון רחב של יישומים. בעתיד, אנו נמשיך לפתח שיטה זו וBASP nanoarchitectures עבור יישומים שונים, כולל סמים ומשלוח גן, הדמיה תאית, והרכבה עצמית. את מלוא הפוטנציאל של חלקיקים אלה רומן, ואת היכולת שלהם לסינתזה קומבינטורית, טרם נחקר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

יש המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

אנו מודים למחלקה לכימיה ב-MIT והוועדה מושגי MIT לינקולן מעבדות מתקדמות לתמיכה בעבודה זו.

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

כימיה גיליון 80 הנדסה כימית חלקיקים פולימרים ליפידיות פלמור פולימרים ביו וחומרים לרפואת שיניים המברשת ראשונה פוליאתילן גליקול photodegradable טבעת פתיחת פילמור metathesis פולימר מברשת פולימר כוכב אספקת סמים כרומטוגרפיה חלחול ג הזרוע ראשונה ליבה פונקציונלית photocleavable
חלקיקים ללא תיבה: סינתזה המברשת הראשונה של Photodegradable פולימרים הכוכבים PEG בתנאי הסביבה
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