Partículas sin caja: Cepillo-primero Síntesis de fotodegradables PEG estrellas Polímeros bajo Condiciones Ambientales
Summary
Poli (etilenglicol) (PEG) polímeros de estrella cepillo-brazo (BASPs) con distribuciones estrechas de masas y tamaños nanoscópicas sintonizables se sintetizan en medio de la polimerización de metátesis de apertura de anillo (ROMP) de un macromonómero de PEG-norborneno seguido de la transferencia de porciones de la vida resultante cepillo de iniciador a viales que contienen cantidades variadas de una superficie rígida, foto-escindibles bis-norborneno reticulante.
Abstract
Los métodos convenientes para la síntesis rápida, paralela de nanopartículas funcionalizadas diversamente permitirán descubrimiento de nuevas formulaciones para la administración de fármacos, imágenes biológicas, y la catálisis soportada. En este informe, demuestran la síntesis paralela de polímero estrella cepillo-brazo (BASP) nanopartículas mediante el método de "pincel-primero". En este método, un poli norborneno-terminado (etilenglicol) (PEG) macromonómero (PEG-MM) se polimeriza primero a través de polimerización por metátesis con apertura de anillo (ROMP) para generar un macroiniciador cepillo de estar. Las alícuotas de esta solución madre iniciador se añaden a viales que contienen cantidades variadas de una fotodegradable reticulante bis-norborneno. La exposición a agente reticulante inicia una serie de cepillo controlada cinéticamente-+ cepillo y reacciones de acoplamiento estrella + estrellas que produce en última instancia BASPs con núcleos formados por el agente de reticulación y coronas compuesto de PEG. El tamaño final de BASP depende de la cantidad de reticulante añadido. Llevamos a cabo el syntesis de tres BASPs sobre la mesa de trabajo sin tomar precauciones especiales para eliminar el aire y la humedad. Las muestras se caracterizaron por cromatografía de permeación en gel (GPC), y los resultados coincidieron estrechamente con nuestro informe anterior que utilizó (guantera) condiciones inertes. Se discuten las características clave prácticos, ventajas y posibles desventajas del método-cepillo primero.
Introduction
Nanopartículas poliméricas han sido ampliamente estudiados por su potencial uso como plataformas para la administración de fármacos, la catálisis soportada, imágenes biológicas, y auto-ensamblaje 1-3. Las aplicaciones modernas requieren que las síntesis de nanopartículas de ser fácil, reproducible, compatible con todas las funciones químicas, y susceptibles de diversificación 4,5. Polimerización por metátesis por apertura de anillo (ROMP) de olefinas torcido es una metodología poderosa para la síntesis de nanoestructuras poliméricas funcionales con tamaños controlados y distribuciones estrechas de masas 1,6-8. Por ejemplo, norborneno funcionalizado con poli (etilenglicol) (PEG) macromonómeros (MMS) puede ser polimerizado de manera eficiente a través de ROMP para generar polímeros botella-cepillo solubles en agua. Usando este enfoque, nanoestructuras que llevan múltiples moléculas liberables de drogas, fluoróforos, y agentes de contraste de spin-se pueden preparar rápidamente y en paralelo 6, 9, 10.
ROMP también se ha utilizado para la síntesis "armar-primero" de polímeros estrella. En el método de brazo primero, polímeros lineales se reticulan con un agente de reticulación multifuncional para dar nanoestructuras esféricas con los brazos poliméricos. Schrock y colaboradores comunicaron la primera síntesis ROMP-brazo primero de polímeros estrella a través de la reticulación de norborneno, dicarbomethoxynorbornadiene y protegido con trimetilsililo dicarboxynorbornene polímeros lineales con un agente de reticulación bifuncional norborneno. 11, 12 Buchmeiser ha extendido esta metodología para la síntesis de materiales con un gama de aplicaciones que incluyen la catálisis soportada, la ingeniería tisular, y 13-17 cromatografía. Otani y compañeros de trabajo han hecho de nanopartículas de polímeros estrella con superficies funcionales a través de una estrategia relacionada "in-out" polimerización 18, 19.
La mayoría de las polimerizaciones de brazo primero implica una compleja interacción de monómeros, polímeros, y de acoplamiento estrella reacciones. The éste procede a través de un mecanismo de paso de crecimiento que típicamente conduce a la amplia del peso molecular (Mw). Para superar esta limitación en la transferencia de átomo de reacciones de polimerización por radicales de brazo primero relacionados, Matyjaszewski y colaboradores llevaron a cabo la reticulación de brazo primero de los MM poliméricos preformados para proporcionar polímeros de estrella con distribuciones de MW muy estrechas 20. En este caso, el volumen estérico de los MM, y el aumento de la relación de las armas estrella de la iniciación sitios, inhiben los procesos de acoplamiento estrella estrella + mal controlada, y dieron lugar a la vida, el mecanismo de crecimiento de la cadena.
Cuando se intentó la misma estrategia en el contexto de ROMP con un PEG-norborneno-MM terminado y un reticulante bis-norborneno, se obtuvieron polímeros de estrella con, distribuciones de MW multimodales muy amplios. Este resultado sugiere que en este sistema por sí solo el MM no era lo suficientemente voluminoso para inhibir STAR + acoplamiento estrella. Para aumentar el volumen estérico de los brazos de la estrella, y potencialmente limitar este uncontroacoplamiento lled, se intentó polimerizar primero el MM para formar polímeros de botella cepillo en ausencia de agente de reticulación y luego añadir el agente de reticulación. Nos quedamos encantados de descubrir que bajo ciertas condiciones, este método "pincel-primero", siempre podrá acceder fácilmente a los "polímeros estrella cepillo de mano dura" (BASPs) con distribuciones estrechas MW y núcleo sintonizable y funcionalidades de corona.
Recientemente hemos informado de la síntesis ROMP-brush primero de BASPs PEG utilizando Grubbs 3 ª generación catalizador A (Figura 1) 21. En este trabajo, la exposición de PEG-MM B a catalizador A genera un macroiniciador cepillo de estar con longitud de cadena definida (B1, Figura 1). Transferencia de alícuotas de la B 1 a viales que contenían diferentes cantidades de reticulante C inició BASPformación. El MW, y por lo tanto el tamaño, de las BASPs aumentaron geométricamente con la cantidad de C añadido. Proporcionamos una hipótesis mecanicista para este proceso de crecimiento geométrico y demostramos que el núcleo y-BASPs funcionales, nitróxido de corona marcado se podrían preparar fácilmente sin la necesidad de etapas de modificación posterior a la polimerización de monómeros o adiciones secuenciales. Sin embargo, en todos los ejemplos presentados, estábamos preocupados por la desactivación del catalizador, se llevó a cabo todas las reacciones bajo atmósfera de N2 dentro de una caja de guantes.
Dado que nuestro informe inicial, se ha encontrado que el método de cepillo primera es muy eficaz para la formación de BASPs entre una amplia gama de MMS norborneno-terminado y reticulantes funcionales. También hemos descubierto que el método se puede realizar en la mesa de trabajo sin precauciones especiales para eliminar el aire o la humedad.
En este documento, se Sy una serie de tres BASPs de diferentes MWsnthesized por el método de cepillo primero en condiciones ambientales. En breve, 10 equivalentes de B estarán expuestos a 1,0 equivalentes de catalizador A (Figura 1A) durante 15 minutos para producir un BI con un grado medio de polimerización (DP) de 10. Tres partes alícuotas de este lote de BI serán transferidos a viales separados que contienen 10, 15, y 20 equivalentes de (N, Figura 1b) de C. Después de 4 horas, las polimerizaciones se apagará mediante adición de acetato de vinil éter. Los MW polímero en estrella y las distribuciones de MW se caracterizan usando un instrumento de cromatografía de permeación en gel equipada con un detector de dispersión de luz láser multi-ángulo (GPC-MALLS).
Protocol
Representative Results
Discussion
La principal ventaja de la síntesis de BASP-brush primera es la capacidad única para sintetizar rápidamente nanoestructuras de tamaño y composición diversa en paralelo sin necesidad de equipo especializado. En este estudio, se demuestra el método sintético-cepillo primero usando un macromonómero norborneno funcionalizado de PEG (B, Figura 1) y un bis-éster de norborneno nitrobencilo reticulante (C, Figura 1). Las cadenas de PEG de B i…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos al Departamento de Química del MIT y el Comité Conceptos MIT Lincoln Labs de avanzada para apoyar este trabajo.
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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