Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

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

Published: October 10, 2013 doi: 10.3791/50874
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Chemistry, Massachusetts Institute of Technology

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).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 A från kommersiellt tillgänglig Grubbs 2: a generationens katalysator. Vi visar då användningen av denna komplexa för borst första BASP syntes. Detta experiment detaljer för hur man gör BASPs med N = 10, 15 och 20 från en BI med DP = 10. Alla reaktioner utfördes i ett dragskåp med användning av standard scintillationsflaskor.

VARNING: Använd alltid handskar, en labbrock och labbglasögon, och följa gemensamma laboratorie säkerhetsrutiner vid arbete med farliga kemikalier. Alla organiska lösningsmedel måste hanteras i ett dragskåp. Fasta ämnen kan vägas på en balans utanför dragskåp. Kemikalier får inte komma i kontakt med hud, ögon eller mun. Det rekommenderas starkt att läsa säkerhetsdatablad för varje lösningsmedel och fasta används i denna procedur innan.

1. Beredning av PEG-MM B

  1. Lägg PEG-NH2 (300 mg, 0,0001 mol, 1,0 ekv) till en 40 ml skintillationsflaska försedd med en omrörarstav.
  2. Lös upp PEG-NH 2 i 3 ml vattenfri N, N-dimetylformamid (DMF).
  3. Lägg 36 mg norbornen-NHS-ester (0,000105 mol, 1,05 ekv) 21.
  4. Förslut flaskan och omrör reaktionsblandningen över natten vid rumstemperatur.
  5. Avlägsna omrörarstav och tillsattes dietyleter till reaktionslösningen för att fälla ut PEG-MM B.
  6. Filtrera den vita influensanFFY utfälla och tvätta extensivt med dietyleter. Alternativt, överför suspensionen till en 50 m centrifugrör och centrifugera vid 4000 rpm i 5 minuter vid rumstemperatur, och sedan dekantera supernatanten. Lägg färsk dietyleter, centrifug, och dekantera igen. Vi rekommenderar att upprepa denna procedur 3x för totalt 5x.
  7. Torka fällningen under vakuum under 24 h för att avlägsna kvarvarande dietyleter.

2. Rening av PEG-MM

I vår tidigare rapport var PEG-MM B framställas från kommersiellt tillgängliga PEG-NH 2 och användes för BASP syntes utan ytterligare rening efter torkning (dvs efter steg 1,7). I denna studie varierar vi PEG-NH2-källa (kommersiellt kontra hemlagad), och vi jämför BASP bildningsresultat före och efter mer rigorös preparativ högupplösande vätskekromatografi (prep-HPLC) MM rening. I återstoden av denna studie var dried MM erhållits efter steg 1.7 kallas B1. Prep-HPLC användes för att rena B1 till bildning B2. Ett analogt prep-HPLC renade MM syntetiserades i vårt laboratorium via anjonisk polymerisation benämnes B3. Prep-HPLC utfördes med användning av en Beckmann Coulter HPLC (127p lösningsmedelsmodul och 166p detektormodul) med en 1-ml provslinga och en Agilent Zorbax 300SB-C18 PrepHT omvänd fas-kolonn vid rumstemperatur.

  1. Set-up-HPLC med lösningsmedel A: avjoniserat vatten (Millipore reningssystem, 18,2 Ω) med 1% ättiksyra; lösningsmedel B: acetonitril.
  2. Prime pumpar och jämvikta kolonnen med 95% A och 5% B.
  3. Lös upp PEG-MM i acetonitril eller MeOH (150 mg / ml).
  4. Filtrera genom ett 13 mm 0,45 um Nylon sprutfilter.
  5. Ställ HPLC-metoden:
    - Flöde: 20 ml / min
    - 0-1 min: linjär gradient till 10% B 90% A
    - 1-10 min: linear gradient till 90% B 10% A
    - 10-13 min: byta till begynnelsevillkor (5% B och 95%) och re-jämvikt kolumnen
    - Ställ in UV-detektor för att detektera absorbansen vid 256 nm
  6. Fyll på 0,8 ml av provet på provslingan.
  7. Injicera provet.
  8. Samla de stora absorbanstopp (under de villkor som anges, elueras produkten mellan 5-7 min).
  9. Upprepa vid behov. Kombinera rena fraktioner tillsammans i en rundbottnad kolv.
  10. Ta bort all vätska via rotationsindunstning.
  11. Lös åter upp produkten i diklormetan och tillsätt natriumsulfat. Försiktigt skaka eller rör kolven regelbundet för ≅ 1 timme.
  12. Filtrera blandningen med användning av ett sintrat glasfilter.
  13. Koncentrera via rotationsindunstning. Torka under vakuum över natten.
  14. PEG-MM kan karakteriseras av 1H-NMR i CD 2 (15-20 mg/0.7 ml CD 2 Cl 2, 500 MHz eller högre rekommenderas med över 128 skannar och avkoppling dröjsmål d1 Cl 2= 2,0 sek), och MALDI-TOF använda positiv jonisering läge och 2 - (4-hydroxifenylazo) bensoesyra som MALDI-matris.
  15. PEG-MM kan lagras i flera månader i en scintillationsampull vid 4 ° C.

3. Framställning av katalysator A

  1. Lägg Grubbs 2: a generationens katalysator (500 mg, 0,589 mmol) till en 20 ml flaska utrustad med en omrörarstav.
  2. Lägg pyridin (ca 0.474 ml, 5,89 mmol, 10 ekv) till flaskan. Lösningen färg bör omedelbart ändras från rött till grönt. Låt reaktionen rör om tills all den röda färgen har försvunnit och lösningen har blivit trögflytande (15-30 min).
  3. Fyll reaktionsflaskan med kall pentan för utfällning av komplex A.
  4. Filtrera suspensionen för att samla in den gröna fällningen (katalysator A). Tvätta 4x med 15 ml kall pentan.
  5. Torka det grönt fast ämne under vakuum över natten.
  6. Complex A kan varalagras under månader vid rumstemperatur i en bänk exsickator utan signifikant förlust av aktivitet. För extra försiktighetsåtgärd, vi lagrar vanligtvis komplexet i en -20 ° C frys i en handskfacket. För enkelhetens skull har vi pre-väga kända mängder av A i 4 ml scintillationsfläskor omedelbart efter torkning (steg 3,5). Vi lagrar då dessa flaskor i handskfacket frysen. När du är redo att köra en ROMP reaktion, vi helt enkelt ta en flaska ur handskfacket och använda som beskrivs nedan (steg 4,4).

4. Beredning av stamlösning av Living Brush Polymer (BI) med DP = 10

  1. I en 3 ml injektionsflaska med en gastät skruvlock utrustad med en omrörarstav, väg upp 65 mg (0,020 mmol, 10 ekv) MM B. Detta belopp motsvarar 20 mg av MM för var och en av de 3 olika storlekar av BASPs, och 5 mg överblivna för GPC-analys av BI. Använd en spatel för att lägga till MM direkt till botten av flaskan. Try för att förhindra att material fastnar på sidorna av flaskan eftersom detta scenario skulle kunna leda till MM föroreningar i slut BASP produkten.
  2. Lös MM B i 158 l av THF. Omedelbart cap flaskan efter att ha lagt THF för att undvika avdunstning av lösningsmedel. Obs: Den slutliga koncentrationen av MM under polymerisationen bör vara 0,05 M. Om 158 l av THF till här, då 243 l av katalysatorlösning, steg 4,4, kommer att läggas för att ge 401 l av THF totalt, vilket motsvarar [MM ] = 0,05 M. Den mängd lösningsmedel som under detta steg kan varieras, så länge den mängd lösningsmedel som under steg 4,4 är också varieras för att ge [MM] 0,05. Vi har funnit att polymerisationer utförs med [MM] <0,05 ibland inte fortsätt till fullständig omvandling.
  3. Låt lösningen rör om tills allt av MM är upplöst. Värm försiktigt vid behov. Undvik splattering den viskösa lösningen på sidorna eller locket på flaskan.
  4. Lägg sedan till en känd mängd (2,8mg för detta exempel) av katalysator A till en 3 ml injektionsflaska (eller erhålla en injektionsflaska med förvägd katalysator A). Tillsätt vattenfritt THF (466 | il i detta exempel) för att ge en 6 mg / ml katalysatorlösning. Förslut flaskan genast. Låt katalysatorn för att helt upplösas;. Försiktigt skaka flaskan om det behövs bör denna katalysatorlösning användas omedelbart för att leka. Anmärkning 1: Katalysator lösningen ska vara en skogsgrön färg. Om det är svart eller grön-brun, då det har sannolikt bryts ned, och det kommer förmodligen inte ger tillfredsställande ROMP resultat. Om nedbrytning sker, föreslår vi att förbereda färsk katalysator (enligt punkt 3 ovan), eller med hjälp av nyligen destillerad THF. Not 2: Mängden av THF sattes till A väljs för att säkerställa att den slutliga [MM] är ~ 0,05. Denna mängd kan justeras, så länge som kompenserande justeringar görs till MM-lösning i steg 4,2.
  5. Lägg till 243 l (1,46 mg, 1 eq till B BI förorening i finalen BASP.
  6. Förslut flaskan omedelbart och låt reaktionsblandningen omröras i 15 min för att bilda borsten makroinitiator (BI).

5. Bildning av BASPs

  1. Lägg till 3,6 ± 0,1 mg (6,18 mikromol, 10 eq till mängden BI som skall överföras i steg 5,2), 5,5 ± 0,1 mg (9.28μmol, 15 eq till mängden BI som skall överföras i steg 5,2), och 7,3 ± 0,1 mg (12.4μmol, 20 eq till mängden BI som skall överföras i steg 5.2) av tvärbindnings C till tre separata 3 ml injektionsflaskor försedda med stir barer. Försök att väga tvärbindningsmedlet direkt på botten av flaskan för att förhindra material från att vidhäfta till sidorna av flaskan. OBS: Crosslinker C är inte lättlöslig i THF. Av detta skäl är den fasta substansen användes direkt i detta steg. I de fall där tvärbindningsmedlet är lösligt, kan göras av en koncentrerad förrådslösning av tvärbindningsmedel och olika mängder av denna lösning kan överföras till små flaskor. Återigen bör koncentrationen av den slutliga polymerisationer vara> 0,05 M, om lösningsmedlet tillsätts till tvärbindningsmedlet bör göras någon annanstans en kompensatorisk minskning av lösningsmedel.
  2. Lägg till 123 l (0,618 mikromol) av BI-lösning för var och en av de tre flaskorna som innehåller C. Försök att hålla nålspetsen precis ovanför den fasta tvärbindaren när du lägger till flaskan. Lägg till BI-lösning på en gång istället droppvis.
  3. Förslut flaskorna och rör reaktionerna vid RT för framslutförande. Med denna specifika MM och tvärbindningskombination, är reaktionen fullständig i ~ 4 tim, fortsatte omrörning i upp till 24 timmar inte har någon märkbar effekt på BASP tillväxt. Övervaka med GPC för att säkerställa fullständig omvandling av BI.
  4. Släck reaktionerna genom tillsats av en droppe av etylvinyleter till den återstående BI-lösning och var och en av de N = 10, 15, och 20 BASP reaktionsblandningarna. Rör om under 10 min för att säkerställa fullständig härdning.

6. GPC Provberedning

GPC-MALLS resultat erhölls på ett Agilent 1260 LC-system utrustat med en Shodex GPC KD-806-kolonn, en Wyatt Dawn Heleos-II MALLS-detektor och en Wyatt Optilab T-Rex brytningsindex-detektor vid rumstemperatur. DMF med 0,025 M LiBr vid en flödeshastighet av 1,0 ml / min användes som elueringsmedel. Resultaten analyserades med hjälp av Astra 6 programvara från Wyatt.

  1. Med hjälp av en ny glaspipett för varje reaktionsflaska, Doppa pipettspetsen i reaktionslösningen för att upprätta ett litet urval av reaktionen. Tvätta insidan av pipetten med 250 pl av 0,025 M LiBr i DMF för att ge en slutlig koncentration av ungefär 3 mg / ml.
  2. Filtrera det utspädda provet genom ett 0,45 | im polytetrafluoretylen filtret innan avsättning av provet i en GPC-flaskan.
  3. Set-up GPC-Gallerior körningar och analysera resultaten när körningarna är klara.

Förkortningar:

A: Grubbs 3: e generationens bis-pyridin katalysator

B: poly (etylenglykol) (PEG)-makromonomer (MM)

B1: PEG MM ställdes med användning av kommersiellt tillgänglig (Aldrich) PEG-NH 2 och användes utan HPLC-rening.

B2: PEG MM ställdes med användning av kommersiellt tillgänglig (Aldrich) PEG-NH

B3: PEG MM ställdes med användning av nyligen syntetiserade PEG-NH 2 och användas efter HPLC-rening.

BASP: borst arm stjärna polymer

BI: living borste initiativtagare

C: fotodegraderbara tvärbindare

Ð: molmassa dispersitet index

DMF: N, N-dimetylformamid

DP: antal genomsnittlig grad polymerisation

GPC: gelpermeationskromatografi

Prep-HPLC: preparativ högprestandavätskekromatografi

MALLS: flera vinklar laserljusspridning

MM: makromonomer

MW: molekylvikt

Mw: viktmedel monande massa

N: antal tvärbindande medel (förhållande C till A)

NHS: N-hydroxisuccinimidyl

PEG: polyetylenglykol

PEG-MM: norbornen-PEG makromonomer (även hänvisad till som förening B)

ROMP: ringöppnande metates polymerisation

THF: tetrahydrofuran

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 polymer speciellt i fallet med orenat MM B1 ( Figur 2a). Större mängder tvärbindare resultera i enhetliga MW distributioner med mycket lite rest borste och MM. Viktmedel molmassa (Mw) ungefär fördubblas när man går från N = 15-20. I fallet med B3, utan rest mm och mindre än 1% rest BI står för N = 15 och N = 20 ärenden.

Figur 1
Figur 1. Schematisk för Brush-Arm stjärnpolymer (BASP) Syntes. Panel (a) visar syntesen av Grubbs 3: e generationens bispyridin katalysator (A) från kommersiellt tillgänglig Grubbs 2 nd generationens katalysator. Vidare visas strukturerna för PEG-MM (B) och tvärbindningsmedlet (C) som användes i detta arbete. Panel (b) visar ett schematiskt diagram av borst första processen. Polymerisation av PEG-MM (B) med katalysator (A) genererar en 10-enhet levande borste initiator (BI), som sedan tillsätts till tvärbindningsmedlet (C), vilket resulterar i bildningen av en BASP. ig1highres.jpg "target =" _blank "> Klicka här för att visa en större bild.

Figur 2
Figur 2. Representant GPC-resultaten av de N = 10, 15, och 20 BASPs ställdes från olika PEG MMS. Panels (a), (b) och (c) visar data som för MMS B1, B2, och B3, respektive. Föroreningar från kommersiella PEG-NH2, oreagerad MM, och kvarvarande BI är märkta med asterisker. Mw och dispersitet index (D)-värden är anordnade i de infällda tabeller. Observera att Ð värden som erhålls genom GPC för starkt grenade nanostrukturer måste övervägas noga 24,25. Observationen av monomodala, likformiga toppar tyder på en snäv fördelning av partikel radier.tp_upload/50874/50874fig2highres.jpg "target =" _blank "> Klicka här för att visa en större bild.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 finalen BASP strukturen. Den nitrobensyl baserade tvärbindnings är fotodegraderbara.

Det allmänna förfarande kan modifieras för andra exo-norbornen baserade MMS och tvärbindnings. Vi har förberett BASPs från flera kombinationer av båda. Till exempel har vi använt norbomen-PEG-baserade MMS som bär olika cytostatika, nitroxider, och magnetisk resonanstomografi kontrastmedel 27. Vi har även använt MMs sammansatta av andra än PEG-polymerer. Enligt vår erfarenhet kan borsten-första metoden tillämpas på nästan alla funktionella exo-norbornen imid avslut MM. I de fall där höga omvandlingar av MM till BI (> 95%) inte uppnås, är en MM förorening den mest sannolika boven i dramat (till skillnad från katalytisk aktivitet). Skärpt rening som beskrivs i denna rapport (prep-HPLC) leder vanligtvis till framgångsrik ROMP. Observera att vi inte har försökt ROMP polymerisationer med MMS som bär oskyddade funktionella grupper som är kända för att störa katalysator A (t.ex. fria aminer, olefiner, azider, etc.). Dessa grupper kan införas efter borst första syntes via post-polymerisation ändring 27. Till exempel har vi förberett azid-BASPs från alkylhalogeniden MMS som konverterats till azider efter BASP formation. Dessa azider användes för Cu-katalyse azid-alkynen cykloadditionen "klick &# 34; reaktioner.

Vi sökte för att studera effekten av MM renhet mer i detalj. Små mängder av återstående MM och BI var alltid observeras i GPC spår när borst första reaktioner utfördes med användning av MM ställas från kommersiellt tillgängliga PEG-NH2 (B1, figur 2a). Vi hade lärt sig av erfarenhet att helt rena MMS ger i allmänhet kvantitativ MM konvertering. Dessutom hade vi märkt att mängden rest MM varierat beroende på satsnummer kommersiella PEG-NH2. Vi misstänkte att en icke-funktionell PEG-NH2 orenhet, kanske helt enkelt PEG diol, var ansvarig för den skenbara rest MM orenhet. Därför utnyttjas vi prep-HPLC för att rena B1 för att ge ren MM B2 Figur 2B visar att denna reningsprocess faktiskt skulle minska mängden rest MM (orange stjärna) cirka två gånger,. Det inte remove den helt. Intressant, B2 gav högre konvertering av BI till BASPs också, kanske en förorening som ledde till katalysatorinaktive avlägsnades via prep-HPLC. Fortfarande missnöjd med det resterande MM, följde vi litteraturmetoder för syntes av PEG-NH2 via anjonisk polymerisation av etylenoxid från etanolamin (VARNING: Etylenoxid bör hanteras av utbildade, erfarna kemister, det är ett mycket brandfarligt, explosivt och toxisk gas!). 22,23 MM ställdes från denna hemlagad PEG-NH2 (B3) gav förbättrade resultat jämfört med de kommersiella MMS. GPC-analys av de motsvarande BASPs uppvisade ingen detekterbar resterande MM och mycket lite (<1%) rest BI (Figur 2c). Således, om hög renhet BASPs krävs rekommenderar vi att du använder den renaste möjliga MM. Observera att rest MM och BI lätt kan tas bort frånde större BASPs genom dialys efter borst första syntes.

Vi har också använt andra än C tvärbindnings. Till exempel har vi förberett BASPs från bisnorbornene metallkomplex, polymerisationsinitiatorer, syra klyvbara linkers och supramolekylära värdar. Vi finner att tvärbindnings med stela distanser mellan norbornener tenderar att ge den mest enhetliga BASPs, sådana tvärbindningsmedel är mindre benägna att genomgå intramolekylära cykliseringsreaktioner som förbrukar norbornener men bidrar inte till BASP tillväxt.

Oberoende av MM och tvärbindningskombination, finner vi följande generella praxis kommer att leda till den högsta risken för borst första framgång. Först, innan borst första syntes med nyligen syntetiserade monomerer, rekommenderar vi att DP = 10 borste polymer ensam och möjligen längre pensel polymerer med DP = 25 och 50. Om dessa tester är framgångsrika, finns det en utmärkt chans att borsten-förstMetoden kommer också vara framgångsrik. För det andra, är den ideala koncentrationen för borst första polymerisationen beroende på monomer kemisk sammansättning och struktur av de ingående komponenterna. Vi rekommenderar att testa några koncentrationer på liten skala innan du gör en stor sats av BASP. För det tredje, polymerisationer utförs i diklormetan eller tetrahydrofuran verkar ge de bästa resultaten, monomerer som är lösliga i dessa lösningsmedel är idealiska. Såsom diskuterats ovan, om tvärbindningsmedlet är dåligt lösliga i dessa lösningsmedel rekommenderar vi att lägga till det som ett fastämne i stället för att lägga till extra lösningsmedel. Så länge MM är löslig, finner vi att det tvärbindande bringar tvärbindare helt i lösning inom några minuter. För det fjärde, även om polymerisationen inte kräver inerta betingelser rekommenderas lagring av katalysatorn under inert atmosfär för att öka dess livslängd. Viktigt är att katalysatorn bryts ned över tiden i lösning, katalysator lösningen ska beredas på nytt från Grubbs tredje generationens catalyst varje gång en serie av ROMP reaktioner utförs. Slutligen kommer den mängd tvärbindningsmedel som krävs för enhetliga BASPs varierar kraftigt med tvärbindningsmedel och MM struktur. Som visas i figur 2, är 10 ekvivalenter av tvärbindnings C inte tillräckligt för att erbjuda kompletta BI omvandlingar. I andra fall har vi funnit att tillsats av 1 ekv av tvärbindningsmedel, och även upp till 40 ekvivalenter, ger goda resultat. Varje gång en ny tvärbindare ska användas, rekommenderar vi att du kör en serie småskaliga reaktioner med olika N-värden för att identifiera optimala tvärbindnings belopp.

Som en sista anmärkning, är det viktigt att inse att många alternativa metoder finns för framställning av stjärnformade polymererna (core-first, arm-dels mm) 25, 26. Varje metod har sina fördelar och nackdelar, såsom gränser för storlek, krav på rening och funktionell grupp kompatibilitet. Vi menar att den breda funktionella gruppen tolerans ROMP,lätthet av syntes av norbornen baserade funktionella monomerer, och förmågan att utföra ROMP reaktioner på bänk snabbt, parallellt och vid rumstemperatur, gör borst första ROMP tillvägagångssätt värt vederlag för en mängd olika tillämpningar. I framtiden kommer vi att fortsätta att utveckla denna metod och BASP nanoarchitectures för olika tillämpningar, inklusive läkemedel och Gene Delivery, cellulär imaging, och självorganisering. Den fulla potentialen av dessa nya partiklar, och deras kapacitet för kombinatorisk syntes ännu på att utforskas.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har ingenting att lämna ut.

Acknowledgments

Vi tackar MIT Institutionen för kemi och MIT Lincoln Labs Advanced Concepts kommitté för att stödja detta arbete.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Tags

Kemi kemiteknik nanopartiklar Polymers Drug Delivery Systems polymerisation polymerer Biomedicinsk och Dentala material borsta först polyetylenglykol fotodegraderbara ringöppning metates polymerisation borsta polymer stjärnpolymer drug delivery gelgenomträngningskromatografi arm först kärna funktionella fotoklyvbar
Partiklar utan Box: Brush-första syntes av fotodegraderbara PEG Star Polymers under normala förhållanden
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Liu, J., Gao, A. X., Johnson, J. A.… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter