Partikler uten en boks: Brush-første Syntese av Fotonedbrytbar PEG-stjerners Polymers under omgivelsene
Summary
Poly (etylenglykol) (PEG) børste-arm stjerne-polymerer (BASPs) med smal massefordelinger og avstembare nanoscopic størrelser er syntetisert i via ringåpningspolymeriseringen metatese (tumle) av en PEG-norbornen makromonomer etterfulgt av overføring av porsjoner av den resulterende levende børste initiator til ampuller inneholdende varierende mengder av en stiv, foto-spaltbar bis-norbornen-tverrbinder.
Abstract
Enkle metoder for rask, parallell syntese av Variert functionalized nanopartikler vil muliggjøre oppdagelsen av nye formuleringer for levering av legemidler, biologisk avbildning, og støttet katalyse. I denne rapporten viser vi parallell syntese av pensel-arm stjemepolymer (BASP) nanopartikler av "brush-først"-metoden. I denne fremgangsmåten blir en norbornen-terminert poly (etylenglykol) (PEG) makromonomer (PEG-MM) først polymeriseres via ringåpnende metatese polymerisasjon (tumle) for å generere et levende børste macroinitiator. Aliquoter av denne initiator stamløsning tilsettes til ampuller som inneholder varierende mengder av et Fotonedbrytbar bis-norbornen-tverrbinder. Eksponering for crosslinker utløses en rekke kinetisk-kontrollerte børste + børste og stjerne +-stjerners kobling reaksjoner som til slutt gir BASPs med kjerner består av crosslinker og coronas består av PEG. Den endelige BASP størrelse avhenger av hvor mye av crosslinker tilsettes. Vi utfører syntesen om tre BASPs på benkeplate med ingen spesielle forholdsregler for å fjerne luft og fuktighet. Prøvene er kjennetegnet ved gelpermeasjonskromatografi (GPC), resultatene var i nær overenstemmelse med våre tidligere rapport som benyttes inerte (hanskerom) forhold. Viktige praktiske egenskaper, fordeler og mulige ulemper ved børsten-første metoden er diskutert.
Introduction
Polymere nanopartikler har vært mye studert for deres potensielle bruk som plattform for levering av legemidler, støttet katalyse, biologisk bildebehandling, og selvbygging 1-3. Moderne applikasjoner krever at nanopartikkel syntheses være lettvinte, reproduserbar, kompatibel med kjemiske funksjonalitet, og mottagelig for diversifisering 4,5. Ring-åpningen metatese polymerisasjon (tumle) av anstrengt olefiner er en kraftig metode for syntese av funksjonelle polymere nanostrukturer med kontrollert størrelse og smale massefordelinger 1,6-8. For eksempel kan norbornen-funksjon poly (etylenglykol) (PEG) makromonomerer (MMS) være effektivt polymerisert via boltre å generere vannløselige flaskekost polymerer. Ved hjelp av denne tilnærmingen, kan nanostrukturer som bærer flere løsbare stoffet molekyler, fluoroforene, og agenter spin-kontrast være forberedt raskt og parallelt 6, 9, 10.
ROMP har også blitt brukt til "arm-først" syntese av stjerne polymerer. I den arm-først-metoden, er lineære polymerer tverrbundet med et flerfunksjonelt tverrbindingsmiddel for å gi sfæriske nanostrukturer med polymere armer. Schrock og medarbeidere rapporterte den første arm-første boltre syntese av stjerne polymerer via kryssbinding av norbornen, dicarbomethoxynorbornadiene, og trimetylsilylderivater beskyttet dicarboxynorbornene lineære polymerer med et bifunksjonelt norbornen kryss kobling. 11, har 12 Buchmeiser utvidet denne metodikken for syntese av materialer med en spekter av applikasjoner som inkluderer støtte for katalyse, vev-engineering, og kromatografi 13-17. Otani og kollegaer har gjort stjerne polymer nanopartikler med funksjonelle overflater via en relatert "inn-ut" polymerisasjon strategi 18, 19.
De fleste arm-første polymerisering omfatter et komplekst samspill av monomer, polymer, og stjerne kobling reaksjoner. The sistnevnte inntektene via en steg-vekst mekanisme som vanligvis fører til bred molekylvekt (MW) distribusjoner. For å overvinne denne begrensningen i relaterte arm-første atom overføring radikale polymeriseringsreaksjoner, Matyjaszewski og kolleger utførte arm-første kryssbinding av prefabrikkerte polymere MMS å gi stjerne polymerer med svært smale MW distribusjoner 20. I dette tilfellet, den steriske parten av MMS, og den økte forholdet mellom stjernearmene ved iverksettelse områder, hemmet dårlig kontrollert stjerners + stjerners koblingsprosesser, og førte til en levende, kjetting vekst mekanisme.
Da vi forsøkte samme strategi i sammenheng med tumle med en norbornen-terminerte PEG-MM og en bis-norbornen tverrbinder ble stjerne-polymerer med meget brede, multimodale fordelinger MW erholdt. Dette resultatet antydet at i dette system MM alene ikke var tilstrekkelig store til å inhibere stjerne + stjernekobling. For å øke den steriske parten av stjerne armene, og potensielt begrense denne uncontrolled kopling, forsøkte vi å først polymerisere MM å danne flaske pensler polymerer i fravær av crosslinker og deretter legge til crosslinker. Vi var glade for å finne at under visse betingelser, denne "brush-først"-metoden gitt grei tilgang til "brush-arm stjerne polymerer" (BASPs) med smale MW distribusjoner og tunbare kjerne og corona funksjonalitet.
Vi har nylig rapportert børsten-første boltre syntese av PEG BASPs bruker Grubbs 3. generasjon katalysator A (Figur 1) 21. I dette arbeidet, eksponering av PEG-MM B til katalysator En generert en levende børste macroinitiator med definert ryggrad lengde (B1, Figur 1). Overføring av aliquoter av B-1 til ampuller som inneholdt forskjellige mengder av tverrbindingsmiddel C initiert BASPdannelse. Den MW, og derfor størrelsen, av de BASPs økt geometrisk med mengden av C tilsatt. Vi ga en mekanistisk hypotese for dette geometriske vekstprosessen og viste at funksjonelle nitroxide kjerne-og corona-merkede BASPs kan lett fremstilles uten behov for etter-polymerisasjons-fremgangsmåten for modifisering eller sekvensiell monomer tilføyelser. Men i alle de rapporterte eksempler, var vi bekymret for katalysator deaktivering, vi utført alle reaksjonene etter N 2 atmosfære inne i en hanskerommet.
Siden vår første rapport, har vi funnet ut at børsten-første metoden er veldig effektiv for dannelsen av BASPs fra et bredt spekter av norbornen-terminert MMS og funksjonelle crosslinkers. Vi har også funnet at fremgangsmåten kan utføres på den stasjonære uten spesielle forholdsregler for å fjerne luft eller fuktighet.
Heri blir en serie på tre BASPs med forskjellige MWS bli SYnthesized av børsten-første metoden under omgivelsene. I korte trekk, blir 10 ekvivalenter B utsettes for 1,0 ekvivalenter av katalysator A (figur 1a) i 15 min for å gi en BI med en gjennomsnittlig polymerisasjonsgrad (DP) på 10. Tre alikvoter av denne gruppe med BI vil bli overført til separate ampuller som inneholder 10, 15, og 20 ekvivalenter (N, figur 1b) i C. Etter 4 timer, vil polymeriseringer bli slukket via tilsetning av etyl-vinyl-eter. Stjernen polymer MWS og MW distribusjoner vil bli karakterisert ved hjelp av en gelpermeasjonskromatografi instrument utstyrt med en multi-vinkel laser lysspredning detektor (GPC-kjøpesentre).
Protocol
Representative Results
Discussion
Den viktigste fordelen med pensel første BASP syntese er den unike evnen til å raskt syntetisere nanostrukturer av variert størrelse og sammensetning i parallell uten behov for spesialutstyr. I denne studie demonstrerer vi at børste første syntetiske metode med bruk av en norbornen funksjonalisert PEG makromonomer (B, figur 1) og en bis-norbornen nitrobenzyl-ester-tverrbinder (C, figur 1). De PEG kjeder fra B formidle vannløselighet til …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker MIT Institutt for kjemi og MIT Lincoln Labs Advanced Concepts komité for støtte til dette arbeidet.
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).
