Partiklar utan Box: Brush-första syntes av fotodegraderbara PEG Star Polymers under normala förhållanden

Summary

Poly (etylenglykol) (PEG) för borstarmen stjärnpolymerer (BASPs) med smala massfördelningar och avstämbara nanoskopstorlekar syntetiseras in via ringöppnande metates-polymerisation (ROMP) av en PEG-norbornen makromonomer följt av överföring av portioner av den erhållna levande borste initiativtagare till flaskor som innehåller varierande mängder av en stel, foto-klyvbara bis-norbomen tvärbindningsmedel.

Abstract

Praktiska metoder för snabb, parallell syntes av mångsidigt funktionaliserade nanopartiklar kommer att möjliggöra upptäckten av nya formuleringar för läkemedelsadministrering, biologisk avbildning, och stöds katalys. I den här rapporten visar vi parallell syntes av pensel-arm stjärna polymer (BASP) nanopartiklar av "pensel-först"-metoden. I denna metod används en norbornen-terminerad poly (etylenglykol) (PEG) makromonomer (PEG-MM) först polymeriseras genom ringöppnande metates-polymerisation (ROMP) för att generera en levande borste makroinitiator. Alikvoter av denna initiator stamlösning tillsätts till injektionsflaskor som innehåller varierande mängder av en fotodegraderbara bis-norbornen tvärbindare. Exponering för tvärbindaren initierar en serie av kinetiskt styrda borste + borste och stjärnan + stjärna kopplingsreaktioner som i slutändan ger BASPs med kärnor består av tvärbindaren och coronas består av PEG. Den slutliga BASP storlek beror på mängden tvärbindningsmedel tillsätts. Vi utför syntes av tre BASPs på bänk utan några speciella åtgärder för att avlägsna luft och fukt. Proverna karakteriseras av gelpermeationskromatografi (GPC), resultat enades nära samarbete med vår tidigare rapport som utnyttjade inerta (handskfacket) förhållanden. Nyckel praktiska funktioner, fördelar och potentiella nackdelarna hos borst första metoden diskuteras.

Introduction

Polymera nanopartiklar har studerats för deras potentiella användning som plattformar för läkemedelstillförsel, som stöds katalys, biologisk avbildning och självorganisering ^1-3. Moderna applikationer kräver att nanopartiklar syntes vara lättköpt, reproducerbar, kompatibel med kemiska funktionaliteter, och mottaglig för diversifiering ^4,5. Ringöppnande metates-polymerisation (ROMP) av den spända olefiner är en kraftfull metod för syntes av funktionella polymernanostrukturer med styrda storlekar och smala massfördel ^1,6-8. Till exempel kan norbornen-funktionaliserad poly (etylenglykol) (PEG)-makromonomerer (MMS) effektivt polymeriseras via ROMP för att generera vattenlösliga flaskborst polymerer. Med hjälp av denna metod, kan nanostrukturer som bär flera lösbara läkemedelsmolekyler, fluoroforer och spin-kontrastmedel beredas snabbt och parallellt ^{6, 9, 10.}

ROMP har också använts för den "arm-först" syntes av stjärnpolymerer. I arman första metoden, är linjära polymerer tvärbundna med ett multifunktionellt tvärbindningsmedel för erhållande av sfäriska nanostrukturer med polymerarmar. Schrock och medarbetare rapporterade den första armen-första ROMP syntes av stjärnpolymerer genom tvärbindning av norbomen, dicarbomethoxynorbornadiene, och trimetylsilyl skyddad dicarboxynorbornene linjära polymerer med en bifunktioneli norbomen tvärbindare. ^11, har ¹² Buchmeiser förlängdes denna metod för syntes av material med en spektrum av applikationer som inkluderar stöd katalys, vävnadsteknik, och kromatografi ^13-17. Otani och medarbetare har gjort stjärn polymera nanopartiklar med funktionella ytor via en släkt "in-out" polymerisation strategi ^{18, 19.}

De flesta arm-först polymerisationer involverar ett komplext samspel av monomer, polymer, och stjärnkopplingsreaktioner. The senare fortskrider via en steg-tillväxt mekanism som typiskt leder till en bred molekylvikt (Mw) fördelningar. För att övervinna denna begränsning i relaterade arm-första atom överföring radikalpolymerisation reaktioner, Matyjaszewski och medarbetare utförde arm-första tvärbindning av förformade polymera MMS för att ge stjärnpolymerer med mycket smala MW fördel ^20. I det här fallet, den steriska delen av MMS och den ökade kvoten mellan stjärnarmar initiering platser, hämmade dåligt kontrollerade stjärna + stjärnkopplingsprocesser, och ledde till en levande, kedja tillväxt mekanism.

När vi försökte samma strategi i samband med ROMP med en norbornen-terminerad PEG-MM och en bis-norbomen tvärbindare, var stjärnpolymerer med mycket breda, multimodala MW fördelningar erhålls. Detta resultat tydde på att i detta system MM ensamt inte var tillräckligt skrymmande för att inhibera star + stjärnkoppling. För att öka den steriska delen av stjärnan armarna, och eventuellt begränsa denna okontroversielltlled koppling, försökte vi att först polymerisera MM för att bilda flaskborste polymerer i frånvaro av tvärbindaren och sedan lägga till tvärbindaren. Vi var nöjda efter att under vissa förutsättningar, detta "pensel-först"-metoden ges direkt tillgång till "pensel-arm stjärn polymerer" (BASPs) med smala MW distributioner och avstämbara kärna och Corona funktioner.

Vi rapporterade nyligen borsten första ROMP syntes av PEG BASPs använder Grubbs ^{3: e} generationens katalysator A (fig. 1) ^21. I detta arbete, exponering av PEG-MM B till katalysator A genererade en levande borste makroinitiator med definierade ryggrad längd (B1, figur 1). Överföring av alikvoter av B 1 till ampuller som innehöll olika mängder tvärbindare C initierade BASPformation. MW, och därmed storleken av de BASPs ökade geometriskt med mängden C tillsättes. Vi gav en mekanistisk hypotes för denna geometriska tillväxtprocess och visade att funktionella, nitroxid-core-och korona-märkt BASPs kan lätt framställas utan behov av post-polymerisa-tionsmodifieringssteg eller tillägg sekventiella monomer. Men i alla de redovisade exemplen, var vi oroliga katalysator avaktivering, genomförde vi alla reaktioner under _N2 atmosfär inne i en handskfacket.

Eftersom vår första rapport, har vi funnit att den borst första metoden är mycket effektiv för att bilda BASPs från ett brett spektrum av norbomen-termine MMS och funktionella tvärbindnings. Vi har också upptäckt att metoden kan utföras på den bänk utan några särskilda försiktighetsåtgärder för att avlägsna luft och fukt.

Häri kommer en serie av tre BASPs med olika MWs vara SYnthesized av borst första metoden under omgivningsbetingelser. I korthet kommer 10 ekvivalenter av B utsättas för 1,0 ekvivalenter katalysator A (figur 1a) under 15 min för erhållande av en BI med en genomsnittlig polymerisationsgrad (DP) av 10. Tre alikvoter av denna sats av BI kommer att överföras till separata flaskor som innehåller 10, 15, och 20 ekvivalenter (N, figur 1b) av C. Efter 4 timmar, kommer polymerisationerna kunna släckas genom tillsats av etylvinyleter. De stjärnpolymer MWS och MW-distributioner kommer att karakteriseras med hjälp av en gelpermeationskromatografi instrument utrustat med en multi-vinkel laserljusspridningsdetektor (GPC-MALLS).

Protocol

Vi beskriver först syntesen och reningen av PEG-MM B från 3 kDa-O-(2-aminoetyl) polyetylenglykol (PEG-NH2) och norbornen-N-hydroxisuccinimidyl (NHS)-ester. Den tidigare föreningen kan köpas från Sigma Aldrich Inc., eller framställas via anjonisk polymerisation enligt litteraturförfaranden 22,23. Den senare föreningen kan framställas i två steg i enlighet med ett publicerat förfarande 21. Nästa beskriver vi en syntes av katalysator <stron…

Representative Results

Figur 2 visar GPC spår för en variation av BASPs framställda från B1, B2, och B3. I samtliga fall är de data illustrerar att ökning av ekvivalenter av tvärbindningsmedel (N) leder till en ökning i storleken av den BASP. Som konstaterades i förra rapporten, är 10 ekvivalenter av tvärbindningsmedel inte räcker för att uppnå enhetliga BASPs, N = 10 prov visar ett tydligt multimodal GPC spår med en stor mängd rest pensel p…

Discussion

Den viktigaste fördelen med pensel-första BASP syntes är en unik förmåga att snabbt syntetisera nanostrukturer av varierande storlek och sammansättning parallellt utan behov av specialutrustning. I denna studie visar vi borst första syntesmetod med användning av en norbornen funktionaliserad PEG makromonomer (B, fig. 1) och en bis-norbornen nitrobensylester tvärbindningsmedlet (C, figur 1). PEG-kedjor från B ge vattenlöslighet till …

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