Summary

Koli olmadan Parçacıklar: Ortam Koşullarında fotoaynşmaya PEG Yıldız Polimerlerin Fırça-ilk Sentez

Published: October 10, 2013
doi:

Summary

Poli (etilen glikol) (PEG) fırça-kollu yıldız polimerler, dar yığın dağılımı ve ayarlanabilir Ortaölçek boyutları ile (BASPs) Sonuç olarak ortaya çıkan kısımlarının transferi ve ardından PEG-norbornen makromonomerin halka açma polimerizasyon metatez (ROMP) üzerinden sentezlenir sert, foto-bölünebilir bis-norbornen çapraz bağlayıcı ve çeşitli miktarlarda içeren şişelere fırça başlatıcı.

Abstract

Çeşitli şekillerde işlevselleştirilmiş nanopartiküllerin hızlı ve paralel sentez için uygun metotları ilaç salınımı, biyolojik görüntüleme ve desteklenen kataliz için yeni formülasyonlar keşif sağlayacaktır. Bu yazıda, "fırça-ilk" yöntemi ile fırça-kollu yıldız polimer (BASP) nanopartiküller paralel sentezini göstermektedir. Bu yöntemde, bir norbornen-sonlanan bir poli (etilen glikol) (PEG) makromonomer (PEG-MM) ilk olarak bir oturma fırça makroinisiyatör oluşturmak için bir halka-açma polimerizasyon metatez (ROMP) ile polimerize edilir. Bu başlatıcı Stok solüsyonunun fraksiyonları foto degradasyona uğrayan bir bis-norbornen çapraz bağlayıcı ve çeşitli miktarlarda içeren şişelerine ilave edilir. Çapraz bağlayıcı maruz kalma sonuçta PEG oluşan çapraz bağlayıcı ve coronas oluşan çekirdek ile BASPs verir kinetik kontrollü fırça + fırça ve yıldız + yıldız bağlama reaksiyonlar bir dizi başlatır. Nihai BASP boyutu ilave çapraz bağlayıcı miktarına bağlıdır. Biz syn yürütmekhavayı ve nemi çıkarmak için özel önlemler ile benchtop üç BASPs tez. Numuneler, jel geçirgenlik kromatografisi (GPC) ile karakterize edilir; sonuçları atıl (torpido gözü) koşulları kullanılmıştır önceki raporu ile yakından anlaştılar. Anahtar pratik özellikleri, avantajları ve fırça birinci yöntemin potansiyel dezavantajları tartışılmıştır.

Introduction

Polimer nano partiküller yaygın olarak ilaç verilmesi için platformlar, desteklenen kataliz, biyolojik görüntüleme ve kendini montaj 1-3 olarak potansiyel kullanımı için incelenmiştir. Modern uygulamalar nanoparçacık sentezleri, uyduruk tekrarlanabilir, kimyasal işlevleri ile uyumlu, ve çeşitlendirme 4,5 mükellef olmasını gerektirir. Olefinlerin gergin halka-açma polimerizasyon metatez (ROMP) kontrol edilen boyut ve dar kütle dağılımları 1,6-8 fonksiyonel polimer Nano sentezi için güçlü bir yöntemdir. Örneğin, norbornen-işlevselleştirilmiş poli (etilen glikol) (PEG) makromonomerler (MMS) verimli bir şekilde suda çözünür bir şişe fırçası polimerleri oluşturmak için sıçrayıp ile polimerize edilebilir. Bu yaklaşımı kullanarak, çoklu ayrılabilir ilaç molekülleri, florofor ve spin-kontrast maddeleri taşıyan nano hızlı bir şekilde ve paralel 6, 9, 10 olarak hazırlanabilir.

ROMP da yıldız polimerler, "kol birinci" sentezi için kullanılmaktadır. Kolun birinci yöntemde, doğrusal polimerler, polimer kolları ile oluşturulan nano küre şeklinde vermek üzere bir çok fonksiyonlu çapraz bağlayıcı ile çapraz bağlanır. Schrock ve arkadaşları norbornen, dicarbomethoxynorbornadiene ve iki fonksiyonlu bir çapraz bağlayıcı ile norbornen trimetilsilil korumalı dicarboxynorbornene doğrusal polimerlerin çapraz bağlanması ile yıldız polimerlerin birinci kol birinci ROMP sentezini rapor etmiştir. 11, 12 Buchmeiser bir malzeme ile sentezi için bu yöntemi genişletmiştir Desteklenen kataliz, doku mühendisliği ve kromatografi 13-17 içeren uygulamalar aralığı. Otani ve arkadaşları bir ilgili "in-out" polimerizasyon stratejisi 18, 19 üzerinden fonksiyonel yüzeyler ile yıldız polimer nanopartıkuller yaptık.

Çoğu kol-ilk polimerleşmeleri monomer, polimer, ve yıldız birleştirme reaksiyonların, bir kompleks etkileşimi içerir. Thtipik haliyle, geniş molekül ağırlığı (MW) dağılımları yol açan bir adım büyüme mekanizması ile ikinci e ilerler. İlgili kol-ilk atom transfer radikal polimerizasyon reaksiyonları bu sınırlamayı aşmak için, Matyjaszewski ve arkadaşları çok dar MW dağılımları 20 ile yıldız polimerler sağlamak için önceden oluşturulmuş polimer MMS kol-ilk çapraz bağlanmasını gerçekleştirilir. Bu durumda, MMS sterik toplu ve siteleri başlanması yıldız silah artış oranı, kötü kontrollü yıldız + yıldız bağlama süreçleri inhibe, ve bir yaşam, zincir büyüme mekanizması açtı.

Biz Norbornen sonlandırılmış PEG-MM ve bis-norbomen çapraz bağlayıcı ile boğuşma bağlamında aynı stratejiyi denediğimizde, çok geniş, çok-modlu MW dağıtımları ile yıldız polimerler elde edilmiştir. Bu sonuç, bu sistemde yalnız MM yıldız + yıldız bağlanmasını engellemek için yeterince büyük olmadığını ileri sürdü. Yıldız kolların sterik kısmını artırmak, ve potansiyel olarak bu uncontro sınırlamak içinkaplin lled, ilk çapraz bağlayıcının yokluğunda şişe fırçalar polimerleri meydana getirmek üzere polimerize MM ve daha sonra çapraz bağlayıcı ekleme girişiminde bulunuldu. Belirli koşullar altında, bu "fırça-ilk" yöntemi dar MW dağıtımları ve ayarlanabilir çekirdek ve korona işlevleri ile "fırça-kollu yıldız polimerler" (BASPs) için basit erişim sağlanan bulmak için memnun.

Biz son zamanlarda Grubblar 3. jenerasyon katalizör A (Şekil 1) 21 kullanılarak PEG BASPs fırça birinci ROMP sentezini bildirdi. Bu çalışmada, katalizör A PEG-MM B maruz tanımlanan omurga uzunluğuna sahip bir oturma fırça makrobaşlatıcımız (B1, Şekil 1) oluşturulur. C çapraz bağlayıcı farklı miktarlarını içeren şişeler için B 1 alikolar transferi BASP başlatılanoluşumu. MW ve BASPs nedenle büyüklüğü, C miktarı ile geometrik olarak artmıştır. Biz, bu geometrik büyüme işlemi için mekanik bir hipotez sağlanan ve fonksiyonel nitroksit çekirdek ve korona-etiketli BASPs kolayca polimerizasyon sonrası modifikasyon adımları veya ardışık olarak monomer ekleme için gerek kalmadan elde edilebilir olduğunu göstermiştir. Ancak, rapor edilen örnekler olarak, Katalizör deaktivasyonunun hakkında endişe, bir eldiven kutusu içinde, N2 atmosferi altında, tüm reaksiyonlar gerçekleştirilir.

Bizim ilk rapor bu yana, fırça ilk yöntem norbornen-sonlu MMS ve fonksiyonel çapraz bağlayıcı bir geniş BASPs oluşumu için çok etkili olduğunu bulduk. Ayrıca yöntem, hava ya da nemi çıkarmak için özel bir tedbir ile masa üstü gerçekleştirilebilir keşfetmişlerdir.

Burada, farklı MW üç BASPs bir dizi sy edilecektirortam koşulları altında fırçalı birinci yöntemi ile nthesized. Kısaca, B 10 eşdeğer, 10 ortalama polimerizasyon derecesi (DP) ile bir BI elde etmek üzere 15 dakika boyunca katalizör A (Şekil 1a) 1.0 eşdeğer maruz olacaktır. BI bu toplu üç bölümleri 10, 15 içeren ayrı şişelere aktarılır ve 20 eşdeğer (N, Şekil 1b) C olacaktır. 4 saat sonra, polimerizasyon, etil vinil eter ilave edilerek söndürüldü olacaktır. Yıldız polimer MW ve MW dağılımları bir çok açılı lazer ışığı saçılma detektörü (GPC-MALLS) ile donatılmış bir jel geçirgenlik kromatografisi alet kullanılarak karakterize edilecektir.

Protocol

İlk 3 kDa O-(2-aminoetil) polietilen glikol (PEG-NH2) ve norbornen-N-hidroksisüksinimidil (NHS) ester PEG-MM B'nin sentezi ve saflaştırılmasını tanımlarlar. İlk bileşik Sigma Aldrich Inc satın alabilir ya da literatür prosedürlerine göre 22,23, anyonik polimerizasyon ile hazırlanabilir. Bu bileşik, yayınlanmış bir prosedüre uygun olarak 21 iki aşamada hazırlanabilir. Daha sonra ticari olarak temin edilebilir Grubbs 2.</sup…

Representative Results

Şekil 2, GPC B1, B2 ve B3 hazırlanan BASPs çeşitli izler gösterir. Tüm durumlarda, veriler çapraz bağlayıcı madde (N) 'nin eşdeğer artan BASP boyutunda bir artışa neden olduğunu göstermektedir. Bizim daha önceki raporunda gözlenmiştir gibi, çapraz bağlayıcı 10 eşdeğer düzgün BASPs elde edilmesi için yeterli değildir, N = 10 numune, özellikle rafine olmayan MM B1 durumunda kal…

Discussion

Fırça ilk BASP sentezinin önemli avantajı hızla özel ekipman ihtiyacı olmadan paralel olarak farklı boyut ve kompozisyon nanoyapıları sentezlemek için eşsiz yeteneğidir. Bu çalışmada, bir norbornen işlevselleştirilmiş PEG makromonomer (B, Şekil 1) ve bis-norbornen nitrobenzil ester çapraz bağlayıcı (Cı, Şekil 1) ile fırça birinci sentetik yöntemi göstermektedir. B PEG zincirleri nihai BASP yapısına suda çözün…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Biz Kimya Bölümü MIT ve bu çalışmaları desteklemek için MIT Lincoln Labs Gelişmiş Kavramlar Komitesi teşekkür ederim.

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

  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).

Play Video

Cite This Article
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).

View Video