Koli olmadan Parçacıklar: Ortam Koşullarında fotoaynşmaya PEG Yıldız Polimerlerin Fırça-ilk Sentez
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
Representative Results
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
- 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).
