Waiting
Login processing...

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

Chemistry

الجسيمات دون مربع: التجميعي فرشاة والعشرين من Photodegradable PEG البوليمرات ستار في ظل الظروف المحيطة

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

Summary

يتم توليفها بولي (جلايكول الإثيلين) (PEG) البوليمرات نجمة فرشاة الذراع (BASPs) مع توزيعات الشامل الضيقة وأحجام نانوية الانضباطي في حلقة عبر فتح الابدال والاحلال البلمرة (مرح) من macromonomer PEG-في norbornene تليها نقل أجزاء من المعيشة نتيجة البادئ فرشاة لقارورة تحتوي على كميات متنوعة من جامدة، وصور شطورة مكرر في norbornene crosslinker.

Abstract

سوف أساليب مريحة ل، والتوليف المتوازي السريع للالنانوية بين functionalized بتنوع تمكين اكتشاف تركيبات رواية لتسليم المخدرات، والتصوير البيولوجية، والحفز المعتمدة. في هذا التقرير، علينا أن نظهر التوليف المتوازي للفرشاة الذراع نجمة البوليمر (حزب البعث العربي الاشتراكي) النانوية من قبل "فرشاة والعشرين" الأسلوب. في هذه الطريقة، يتم بلمرة بولي منتهية في norbornene (جلايكول الإثيلين) (PEG) macromonomer (PEG-MM) أولا عن طريق فتح باب خاتم الابدال والاحلال البلمرة (مرح) لإنشاء macroinitiator فرشاة المعيشة. ويضاف جزء من هذه البادئ محلول المخزون إلى قارورة التي تحتوي على كميات متنوعة من photodegradable مكرر في norbornene crosslinker. التعرض لcrosslinker يبدأ سلسلة من فرشاة تسيطر kinetically + فرشاة وردود الفعل اقتران نجمة نجمة + يمكن أن ينتج في نهاية المطاف BASPs مع النوى تتألف من crosslinker وكورونا تتألف من PEG. حجم حزب البعث العربي الاشتراكي النهائي يعتمد على كمية crosslinker المضافة. نقوم بتنفيذ SYNالأطروحة من ثلاثة BASPs على الفوق مع عدم وجود احتياطات خاصة لإزالة الهواء والرطوبة. وتتميز العينات بواسطة اللوني هلام تخلل (المؤتمر الشعبي العام)، ووافق النتائج بشكل وثيق مع تقريرنا السابق أن تستخدم الخاملة (صندوق قفازات) الظروف. وتناقش الملامح الرئيسية العملية، ومزايا، وعيوب المحتملة للأسلوب الفرشاة الأولى.

Introduction

وقد درس على نطاق واسع النانوية البوليمرية للاستخدام إمكاناتهم كما منصات لتسليم المخدرات، الحفز المعتمدة، التصوير البيولوجية، والتجمع الذاتي 1-3. تتطلب التطبيقات الحديثة التي التوليفات جسيمات متناهية الصغر تكون سطحية، واستنساخه، ومتوافقة مع وظائف الكيميائية، وقابلة للتنويع 4،5. عصابة فتح الابدال والاحلال البلمرة (مرح) الأوليفينات توترت هي منهجية قوية لتجميع النانو البوليمرية وظيفية مع أحجام للرقابة والتوزيع الشامل الضيقة 1،6-8. على سبيل المثال، بين functionalized في norbornene-بولي (جلايكول الإثيلين) (PEG) macromonomers (MMS) يمكن بلمرة بكفاءة عن طريق مرح لتوليد البوليمرات للذوبان في الماء زجاجة فرشاة. باستخدام هذا النهج، النانو التي تحمل جزيئات متعددة نشره المخدرات، fluorophores، وكلاء تدور على النقيض يمكن أن يكون مستعدا بسرعة وبالتوازي 6 و 9 و 10.

ROMP كما تم استخدامها لتخليق "تسليح والعشرين" من البوليمرات نجوم. في طريقة الذراع الأولى، يتم crosslinked بوليمرات خطية مع crosslinker متعددة الوظائف لإعطاء النانو كروية مع الأسلحة البوليمرية. ذكرت شروك وزملاء العمل أول التوليف مرح الذراع الأول من البوليمرات نجمة عبر يشابك من في norbornene، dicarbomethoxynorbornadiene، وtrimethylsilyl المحمية dicarboxynorbornene البوليمرات الخطية مع crosslinker في norbornene bifunctional 11، 12 Buchmeiser مددت هذه المنهجية لتخليق المواد مع مجموعة من التطبيقات التي تشمل الحفز المعتمدة، الأنسجة والهندسة، واللوني 13-17. جعلت أوتاني وزملاء العمل النانوية نجمة البوليمر مع الأسطح وظيفية عبر "في الخارج" استراتيجية البلمرة ذات الصلة 18، 19.

تنطوي معظم polymerizations الذراع أول تفاعل معقد من مونومر، البوليمر، ونجم اقتران ردود الفعل. اله عائدات الأخير عبر آلية خطوة النمو الذي يؤدي عادة إلى الوزن الجزيئي واسعة (MW) التوزيعات. للتغلب على هذا القيد في نقل ذرة تفاعلات البلمرة الراديكالية الذراع الأولى ذات الصلة، يقوم Matyjaszewski وزملاء العمل الذراع الأولى يشابك من الرسائل المتعددة الوسائط البوليمرية مسبقة التشكيل لتوفير البوليمرات نجوم مع توزيعات ميغاواط ضيقة جدا 20. في هذه الحالة، فإن الجزء الأكبر الفراغية من رسائل الوسائط المتعددة، ونسبة زيادة الأسلحة نجمة لاستهلال الإجراءات المواقع، تحول دون عمليات نجمة + نجمة اقتران تسيطر على نحو رديء، وأدت إلى لقمة العيش، وآلية النمو السلسلة.

عندما حاولنا نفس الاستراتيجية في سياق مرح مع منتهية في norbornene PEG-MM وcrosslinker مكرر في norbornene، تم الحصول على البوليمرات نجوم مع واسعة جدا، وتوزيعات ميجاوات متعدد الوسائط. اقترح هذه النتيجة أنه في هذا النظام MM وحده لم يكن ضخمة بما فيه الكفاية لمنع نجمة + نجمة اقتران. لزيادة الجزء الأكبر الفراغية من الأسلحة نجوم، ويحتمل أن تحد من هذا uncontrolled اقتران، حاولنا تتبلمر أولا MM لتشكيل البوليمرات زجاجة فرشاة في غياب crosslinker ثم قم بإضافة crosslinker. كنا سعداء للعثور على أنه في ظل ظروف معينة، وفرت هذه "الفرشاة والعشرين" أسلوب الوصول مباشرة إلى "البوليمرات نجمة فرشاة الذراع" (BASPs) مع توزيعات ميغاواط الضيقة والانضباطي الأساسية وظائف الهالة.

نحن ذكرت مؤخرا تركيب مرح فرشاة الأول من BASPs PEG باستخدام جرابز 3 الجيل الثالث المحفز A (الشكل 1) 21. في هذا العمل، والتعرض للPEG-MM B إلى A حافزا لدت macroinitiator فرشاة المعيشة مع تعريف طول العمود الفقري (B1، الشكل 1). نقل مأخوذة من B 1 إلى قارورة التي تحتوي على كميات مختلفة من crosslinker C بادر حزب البعث العربي الاشتراكيتشكيل. ميغاواط، وعلى هذا فإن الحجم، من BASPs زيادة هندسيا مع كمية من C المضافة. قدمنا ​​فرضية الآلية لهذه العملية نمو هندسية وأثبتت أن ظيفية، nitroxide والأساسية BASPs المسمى الاكليل يمكن إعداد بسهولة دون الحاجة للآخر البلمرة-الخطوات تعديل أو إضافات مونومر متسلسلة. ومع ذلك، في كل من الأمثلة المبلغ عنها، كنا تشعر بالقلق إزاء حافزا التعطيل، ونحن نفذت جميع التفاعلات تحت N 2 الجو داخل صندوق قفازات.

منذ التقرير الأولي لدينا، فقد وجدنا أن الأسلوب فرشاة الأول هو فعالة جدا لتشكيل BASPs من مجموعة واسعة من الرسائل المتعددة الوسائط منتهية في norbornene وcrosslinkers الوظيفية. اكتشفنا أيضا أن الأسلوب لا يمكن أن يؤديها على الفوق مع عدم وجود احتياطات خاصة لإزالة الهواء أو الرطوبة.

هنا، سيتم SY سلسلة من ثلاثة BASPs من اختلاف ميجاواتnthesized من خلال طريقة فرشاة الأولى في ظل الظروف المحيطة. باختصار، سوف يتعرض 10 في حكمه من B إلى 1.0 في حكمه من حافز A (الشكل 1A) لمدة 15 دقيقة لتسفر عن BI بمتوسط ​​درجة البلمرة (DP) 10. وسيتم نقل ثلاثة aliquots من هذه الدفعة من BI إلى قارورة منفصلة التي تحتوي على 10، 15، و 20 في حكمه (N، الشكل 1B) من C. بعد 4 ساعات، وسوف تطفئ polymerizations عبر إضافة إيثيل الأثير الفينيل. سيتم تميزت ميجاوات نجمة البوليمر والتوزيعات ميغاواط باستخدام أداة هلام تخلل اللوني مجهزة للكشف عن تشتت ضوء الليزر متعددة زاوية (GPC-مولات).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

وصفنا أولا التوليف وتنقية PEG-MM B من 3 كيلو دالتون O-(2-aminoethyl) البولي ايثيلين جلايكول (PEG-NH 2) وفي norbornene-N-hydroxysuccinimidyl (NHS) استر. المجمع السابق يمكن شراؤها من شركة سيجما الدريتش شركة، أو المعدة عن طريق البلمرة أنيوني وفقا للإجراءات الأدب 22،23. المجمع الأخير يمكن أن تكون على استعداد في خطوتين وفقا لإجراءات نشرت 21. المقبل وصفنا توليفة من الحافز A من المتاحة تجاريا جرابز 2 الجيل الثاني محفز. نحن ثم شرح استخدام هذا المجمع لتخليق حزب البعث العربي الاشتراكي فرشاة الأول. تفاصيل هذه التجربة الإجراء لصنع BASPs مع N = 10، 15، و 20 من BI مع موانئ دبي = 10. أجريت جميع ردود الفعل في غطاء الدخان باستخدام قارورة التلألؤ القياسية.

تحذير: ارتداء القفازات، ومختبر معطف، ومختبر دائماالنظارات، واتباع ممارسات سلامة المختبرات المشتركة عند العمل مع المواد الكيميائية الخطرة. يجب التعامل مع أي المذيبات العضوية في غطاء الدخان. يمكن أن يكون وزنه من المواد الصلبة على التوازن خارج غطاء الدخان. ينبغي أن المواد الكيميائية لا تتلامس مع الجلد، والعيون، أو الفم. فمن المستحسن أن تقرأ MSDS لكل المذيبات والصلبة المستخدمة في هذا الإجراء قبل البدء.

1. إعداد PEG-MM B

  1. إضافة PEG-NH 2 (300 ملغ، 0.0001 مول، 1.0 مكافئ) إلى قارورة 40 مل التلألؤ مجهزة بقضيب.
  2. حل PEG-NH 2 في 3 مل من اللامائية N، N-ثنائي ميثيل (DMF).
  3. إضافة 36 ملغ من في norbornene-NHS استر (0،000105 مول، 1.05 مكافئ) 21.
  4. قبعة القارورة ويحرك خليط التفاعل بين عشية وضحاها في درجة حرارة الغرفة.
  5. إزالة بقضيب وإضافة ايثر لمحلول التفاعل لترسيب PEG-MM B.
  6. تحديد انفلونزا الأبيضffy يعجل وغسل نطاق واسع مع ايثر. بدلا من ذلك، نقل تعليق إلى 50 م أنبوب الطرد المركزي، الطرد المركزي في 4000 دورة في الدقيقة لمدة 5 دقائق في درجة حرارة الغرفة، ثم صب طاف. إضافة جديدة الأثير إثيل، أجهزة الطرد المركزي، وصب مرة أخرى. نوصي بتكرار هذا الإجراء 3X ليصبح المجموع 5X.
  7. تجفيف راسب تحت فراغ لمدة 24 ساعة لإزالة ايثر المتبقية.

2. تنقية PEG-MM

في تقريرنا السابق، أعد PEG-MM B من المتاحة تجاريا PEG-NH 2، وكان يستخدم لتخليق حزب البعث العربي الاشتراكي دون مزيد من تنقية بعد التجفيف (أي بعد الخطوة 1.7). في هذه الدراسة، ونحن تختلف PEG-NH 2 المصدر (التجارية مقابل محلية الصنع)، وقارنا النتائج تشكيل حزب البعث العربي الاشتراكي قبل وبعد تنقية أكثر صرامة اللوني السائل التحضيرية عالية الأداء (HPLC-الإعدادية) MM. في ما تبقى من هذه الدراسة، والدكتوريشار MM العبوات الناسفة التي تم الحصول عليها بعد خطوة 1.7 باسم B1. وقد استخدم الإعدادية-HPLC لتنقية B1 B2 لإعطاء. ويشار إلى الإعدادية-MM HPLC المنقى مماثلة تصنيعه في المختبر لدينا عن طريق البلمرة أنيوني باسم B3. تم إجراء الإعدادية-HPLC بيكمان كولتر باستخدام HPLC (127p 166p حدة المذيبات وحدة كاشف) مع عينة حلقة 1 مل واجيلنت Zorbax 300SB-C18 PrepHT عمود عكس المرحلة في درجة حرارة الغرفة.

  1. انشاء HPLC مع مذيب ج: ماء منزوع الأيونات (نظام تنقية ميليبور، 18.2 Ω) مع حمض الخليك 1٪؛ المذيبات ب: الأسيتونيتريل.
  2. رئيس المضخات وتتوازن مع العمود 95٪ A و 5٪ B.
  3. حل PEG-MM في أسيتونتريل أو MeOH (150 ملغ / مل).
  4. تصفية من خلال 13 مم 0.45 ميكرون مرشح نايلون حقنة.
  5. تعيين طريقة HPLC:
    - معدل التدفق: 20 مل / دقيقة
    - 0-1 دقيقة: الانحدار الخطي إلى 10٪ و 90٪ B A
    - 1-10 دقيقة: الخطص التدرج إلى 90٪ و 10٪ B A
    - 10-13 دقيقة: التحول إلى الظروف الأولية (5٪ B و 95٪) وإعادة توازن العمود
    - تعيين كاشف الأشعة فوق البنفسجية للكشف عن الامتصاصية في 256 نانومتر
  6. تحميل 0.8 مل من العينة على عينة حلقة.
  7. حقن العينة.
  8. جمع ذروة الامتصاصية الرئيسية (وفقا للشروط المحددة، والمنتج elutes بين 5-7 دقائق).
  9. كرر حسب الضرورة. الجمع بين الكسور النقي معا في قارورة جولة القاع.
  10. إزالة جميع المذيبات عبر التبخر الدوارة.
  11. تنحل المنتج في ثنائي كلورو ميثان وإضافة كبريتات الصوديوم. بلطف يهز أو يحرك القارورة بشكل دوري ل≅ 1 ساعة.
  12. تحديد الخليط باستخدام فلتر الزجاج fritted.
  13. التركيز عن طريق التبخر الدوارة. الجافة تحت فراغ بين عشية وضحاها.
  14. يمكن وصف PEG-MM بنسبة 1 H-NMR في مؤتمر نزع السلاح 2 2 الكلورين (15-20 مل mg/0.7 CD 2 الكلورين 2، 500 ميغاهرتز أو أعلى ويوصى مع أكثر من 128 المسح الضوئي وتأخير الاسترخاء، D1= 2.0 ثانية)، وMALDI-TOF باستخدام وضع التأين إيجابية و2 - (4-hydroxyphenylazo) حمض البنزويك كما مصفوفة MALDI.
  15. وPEG-MM يمكن تخزينها لعدة أشهر في قارورة التلألؤ في 4 درجات مئوية.

3. إعداد محفز A

  1. إضافة جرابز 2 الجيل الثاني محفز (500 ملغ، 0.589 ملمول) إلى 20 مل قارورة مجهزة بقضيب.
  2. إضافة البيريدين (حوالي 0.474 مل، 5.89 ملمول، 10 مكافئ) إلى القارورة. لون الحل يجب أن تتغير فورا من اللون الأحمر إلى اللون الأخضر. السماح للرد فعل لاثارة حتى كل من اللون الأحمر قد اختفى وأصبح الحل لزج (15-30 دقيقة).
  3. ملء قارورة التفاعل مع البنتان الباردة لترسيب مجمع.
  4. تحديد تعليق لجمع راسب الخضراء (محفز A). غسل 4X مع 15 مل من البنتان الباردة.
  5. تجفيف الخضراء الصلبة تحت فراغ بين عشية وضحاها.
  6. ويمكن أن تكون معقدةتخزينها لعدة أشهر في درجة حرارة الغرفة في مجفف الفوق دون خسارة كبيرة في النشاط. لقائي إضافي، ونحن عادة تخزين معقدة في الفريزر -20 درجة مئوية داخل صندوق قفازات. المبالغ للراحة، ونحن قبل تزن معروفة من A إلى 4 قوارير مل التلألؤ على الفور بعد التجفيف (الخطوة 3.5). نحن ثم تخزين هذه قارورة في الثلاجة صندوق قفازات. عندما تصبح جاهزة للتشغيل رد فعل مجون، ونحن ببساطة تأخذ قارورة واحدة للخروج من صندوق قفازات واستخدام كما هو موضح أدناه (الخطوة 4.4).

4. إعداد محلول المخزون المعيشة فرشاة بوليمر (BI) مع موانئ دبي = 10

  1. في 3 مل قارورة مع قبعة المسمار الغاز ضيق مجهزة بقضيب، تزن من 65 ملغ (0.020 ملمول، 10 مكافئ) من MM B. يتوافق هذا المبلغ إلى 20 ملغ من MM لكل من 3 أحجام مختلفة من BASPs، و 5 ملغ لتحليل بقايا حزب المؤتمر الشعبي العام من BI. استخدام ملعقة لإضافة MM مباشرة إلى الجزء السفلي من القارورة. آرذ لمنع المواد من الانضمام إلى جانبي القارورة لأن هذا السيناريو يمكن أن يؤدي إلى تلوث MM في المنتج النهائي حزب البعث العربي الاشتراكي.
  2. حل MM B في 158 ميكرولتر من THF. تتويج فورا القارورة بعد إضافة THF لتجنب تبخر المذيبات. ملاحظة: إن تركيز النهائي من MM خلال البلمرة يجب أن يكون 0.05 م وإذا أضيف 158 ميكرولتر من THF هنا، ثم 243 ميكرولتر من محلول محفز، خطوة 4.4، سيتم إضافة 401 ميكرولتر لإعطاء نسبة من الكل THF، والتي تتطابق مع [MM ] = 0.05 م مبلغ المذيبات خلال هذه الخطوة يمكن أن تختلف، طالما اختلفت كمية المذيبات أثناء الخطوة 4.4 أيضا لإعطاء [MM] 0.05. لقد وجدنا أن polymerizations التي أجريت مع [MM] <0.05 في بعض الأحيان لا المضي قدما لاستكمال التحويل.
  3. اسمحوا الحل يحرك حتى يذوب كل من MM. حرارة طفيفة إذا لزم الأمر. تجنب الرش الحل لزج على الجانبين أو غطاء القارورة.
  4. المقبل، إضافة كمية المعروفة (2.8ملغ في هذا المثال) من محفز A إلى 3 مل قارورة (أو الحصول على قارورة مع وزنه قبل محفز A). إضافة THF اللامائية (466 ميكرولتر في هذا المثال) لإعطاء الحل 6 ملغ / مل محفز. قبعة القارورة فورا. تسمح حافزا لتذوب تماما؛ يهز بلطف القارورة إذا لزم الأمر ينبغي أن تستخدم هذا الحل المحفز على الفور للمجون. ملاحظة 1: يجب أن يكون الحل المحفز على اللون الأخضر للغابات. إذا كان أسود أو بني مخضر، ثم أنها من المرجح متحللة، وأنه ربما لن تسفر عن نتائج مرضية مجون. في حالة حدوث التحلل، ونقترح إعداد حافزا الطازجة (وفقا للمادة 3 أعلاه)، أو باستخدام THF المقطر حديثا. ملاحظة 2: مقدار THF تضاف إلى A يتم اختيار لضمان أن [MM] ~ النهائي هو 0.05. هذا المبلغ يمكن تعديلها، طالما يتم إجراء تعديلات تعويضية في حل MM في الخطوة 4.2.
  5. إضافة 243 ميكرولتر (1.46 ملغ، 1 مكافئ لB وBI النجاسة في حزب البعث العربي الاشتراكي النهائي.
  6. قبعة القارورة فورا والسماح للضجة خليط التفاعل لمدة 15 دقيقة لتشكيل macroinitiator فرشاة (BI).

5. تشكيل BASPs

  1. إضافة 3.6 ± 0.1 ملغ (6.18 ميكرومول، 10 مكافئ لكمية من BI على أن يتم تحويلها في الخطوة 5.2) و 5.5 ± 0.1 ملغ (9.28μmol، 15 مكافئ لكمية من BI على أن يتم تحويلها في الخطوة 5.2)، و 7.3 ± 0.1 ملغ (12.4μmol، 20 مكافئ لكمية من BI على أن يتم تحويلها في الخطوة 5.2) من crosslinker مئوية إلى ثلاثة منفصلة 3 مل قارورة مجهزة بقضبان ضجة. محاولة الموازنة بين crosslinker مباشرة على الجزء السفلي من القارورة لمنع المواد من الانضمام إلى الجانبين من القارورة. ملاحظة: Crosslinker C ليست قابلة للذوبان عالية في THF. لهذا السبب، يتم استخدام الصلبة مباشرة في هذه الخطوة. في الحالات التي يكون فيها crosslinker قابل للذوبان، ثم حل الأسهم مركزة من crosslinker يمكن أن يتم ويمكن نقل كميات مختلفة من هذا الحل إلى قارورة. مرة أخرى، يجب أن يكون تركيز polymerizations النهائية> 0.05 M؛ إذا تم إضافة المذيب إلى crosslinker ثم تخفيض التعويضية من المذيبات وينبغي بذل أي مكان آخر.
  2. إضافة 123 ميكرولتر (0.618 ميكرومول) من الحل BI إلى كل من قارورة تحتوي على ثلاثة C. محاولة للحفاظ على طرف الإبرة فقط فوق crosslinker صلبة عند إضافة إلى القارورة. إضافة الحل BI في كل مرة بدلا من قطرة قطرة.
  3. قبعة قارورة واثارة ردود الفعل في لRT حتىالانتهاء. مع هذا MM محددة والجمع crosslinker، فإن رد الفعل هو الكامل في ~ 4 ساعة؛ اصلت التحريك لمدة تصل إلى 24 ساعة له تأثير ملحوظ على نمو حزب البعث العربي الاشتراكي. مراقبة من قبل المؤتمر الشعبي العام لضمان التحويل الكامل من BI.
  4. إخماد التفاعلات عن طريق إضافة قطرة واحدة من إيثيل الأثير الفينيل في حل استقصاء المعلومات المتبقية وكل من N = 10، 15، و 20 حزب البعث العربي الاشتراكي مخاليط رد فعل. يحرك المزيج لمدة 10 دقيقة لضمان التبريد كاملة.

6. GPC إعداد نموذج

وقد تم الحصول على نتائج GPC-مولات على نظام LC اجيلنت 1260 مجهزة عمود Shodex GPC KD-806M، للكشف عن مراكز يات الفجر Heleos-II، وكاشف معامل الانكسار وايت Optilab T-REX في درجة حرارة الغرفة. DMF مع 0.025 M LIBR بمعدل تدفق 1.0 مل / دقيقة كما تم استخدام شاطف. وقد تم تحليل النتائج باستخدام أسترا 6 برامج تقدمها وايت.

  1. باستخدام ماصة الزجاج جديد لكل قنينة رد فعل، وتراجع غيض ماصة في محلول التفاعل لوضع عينة صغيرة من رد الفعل. غسل أسفل داخل ماصة مع 250 ميكرولتر من 0.025 M LIBR في DMF لإعطاء تركيز النهائي من حوالي 3 ملغ / مل.
  2. تحديد عينة مخففة خلال مرشح 0.45 ميكرون بولي تترافلوروإيثيلين قبل إيداع العينة إلى قارورة المؤتمر الشعبي العام.
  3. انشاء أشواط GPC-مراكز التسوق وتحليل النتائج بمجرد الانتهاء من أشواط.

قائمة الاختصارات:

ج: جرابز 3 الجيل الثالث مكرر البيريدين محفز

B: بولي (جلايكول الإثيلين) (PEG) macromonomer (MM)

B1: أعد PEG MM باستخدام المتاحة تجاريا (الدريتش) PEG-NH 2 واستخدامها دون تنقية HPLC.

B2: PEG MM إعدادها باستخدام المتاحة تجاريا (الدريتش) PEG-NH

B3: أعد PEG MM باستخدام توليفها حديثا PEG-NH 2 واستخدامها بعد تنقية HPLC.

حزب البعث العربي الاشتراكي: فرشاة الذراع نجمة البوليمر

BI: تعيش البادئ فرشاة

C: crosslinker photodegradable

D: المولي مؤشر كتلة التبعثر

DMF: N، N-ثنائي ميثيل

DP: عدد متوسط ​​درجة البلمرة

المؤتمر الشعبي العام: هلام تخلل اللوني

الإعدادية-HPLC: إعدادي عالية الأداء اللوني السائل

مراكز التسوق: متعددة زاوية ضوء الليزر نثر

MM: macromonomer

MW: الوزن الجزيئي

M ث: وزن متوسط ​​مولار الشامل

N: عدد مكافئات crosslinker (نسبة مئوية إلى A)

NHS: N-hydroxysuccinimidyl

PEG: البولي ايثيلين جلايكول

PEG-MM: في norbornene-PEG macromonomer (كما يشار إلى مركب B)

مرح:-فتح حلقة الابدال والاحلال البلمرة

THF: رباعي هيدرو الفوران

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ويبين الشكل 2 GPC يتتبع لمجموعة متنوعة من BASPs أعدت من B1، B2، B3 و. في جميع الحالات، توضح البيانات أن زيادة مكافئات من crosslinker (N) يؤدي إلى زيادة في حجم حزب البعث العربي الاشتراكي. كما لوحظ في تقريرنا السابق، و 10 من حكمه crosslinker ليست كافية لتحقيق BASPs موحدة؛ يظهر N = 10 عينة تتبع المؤتمر الشعبي العام بشكل واضح متعدد الوسائط مع كمية كبيرة من البوليمر المتبقية فرشاة خاصة في حالة غير المكرر MM B1 ( الشكل 2A). كميات أكبر من crosslinker يؤدي إلى توزيع ميغاواط موحدة مع فرشاة المتبقية قليلة جدا وMM. الكتلة المولية الوزن المتوسط ​​(M ث) يضاعف تقريبا في الذهاب من N = 15-20. في حالة B3، لا MM المتبقية وأقل من 1٪ المتبقية لا تزال BI لN = 15 و N = 20 حالة.

الشكل 1
الشكل 1. تخطيطي لستار فرشاة ذراع (حزب البعث العربي الاشتراكي) التجميعي. لوحة (أ) يوضح تركيب جرابز '3 الثالثة جيل bispyridine محفز (A) من المتاحة تجاريا جرابز' الجيل الثاني 2-حافزا بوليمر. أظهرت أيضا هي هياكل PEG-MM (B) وcrosslinker (C) المستخدمة في هذا العمل. لوحة (ب) يظهر الرسم التخطيطي لعملية الفرشاة الأولى. البلمرة من PEG-MM (B) مع محفز (A) بإنشاء 10 وحدة فرشاة المعيشة البادئ (BI)، التي يتم بعد ذلك تضاف إلى crosslinker (C) مما أدى إلى تشكيل حزب البعث العربي الاشتراكي. ig1highres.jpg "الهدف =" _blank "> اضغط هنا لمشاهدة صورة أكبر.

الرقم 2
الشكل 2. نتائج المؤتمر الشعبي العام من الممثل N = 10، 15، و 20 BASPs أعدت من مختلف PEG MMS. وحات (أ) و (ب) و (ج) تصور البيانات ل MMS B1، B2، B3 و، على التوالي. وصفت الشوائب من التجاري PEG-NH 2، غير المتفاعل MM، واستقصاء المعلومات المتبقية مع العلامات النجمية. وتقدم مؤشر M ث والتبعثر (د) القيم في الجداول أقحم. لاحظ أن القيم Ð التي حصلت عليها اللجنة الشعبية العامة للالنانو تشعبت للغاية ويجب النظر بعناية 24،25. مراقبة monomodal، قمم موحدة تقترح توزيع ضيقة من الجسيمات كعبرة.tp_upload/50874/50874fig2highres.jpg "الهدف =" _blank "> اضغط هنا لمشاهدة صورة أكبر.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

والميزة الرئيسية لحزب البعث العربي الاشتراكي التوليف فرشاة الأول هو قدرة فريدة على تجميع بسرعة النانو من حجم متنوعة وتكوين بالتوازي دون الحاجة إلى المعدات المتخصصة. في هذه الدراسة، ونحن لشرح طريقة الفرشاة الأولى الاصطناعية باستخدام في norbornene بين functionalized PEG macromonomer (B، الشكل 1)، ومكررا في norbornene nitrobenzyl استر crosslinker (C، الشكل 1). سلاسل PEG من B نقلها للذوبان في الماء إلى هيكل حزب البعث العربي الاشتراكي النهائي. وcrosslinker القائم على nitrobenzyl هو photodegradable.

يمكن تعديل هذا الإجراء العام لأخرى استنادا الطبيون إكسو في norbornene وcrosslinkers. أعددنا BASPs من عدة مجموعات من كليهما. على سبيل المثال، وقد استخدمنا الطبيون مقرها في norbornene-PEG-التي تحمل مختلف العقاقير المضادة للسرطان، nitroxides، والرنين المغناطيسي عوامل التباين التصوير 27. وقد استخدمنا خدمة الوسائط المتعددة تتكون من البوليمرات الأخرى من PEG. في تجربتنا، وطريقة فرشاة الأول يمكن تطبيقها على ما يقرب من أي وظيفية إيميد إكسو في norbornene إنهاء MM. في الحالات التي لا تتحقق التحويلات عالية من MM إلى BI (> 95٪)، والنجاسة MM هو الجاني على الأرجح (في مقابل نشاط الحفاز). تنقية أكثر صرامة على النحو المبين في هذا التقرير (الإعدادية-HPLC) يؤدي عادة إلى مجون ناجحة. لاحظ أننا لم حاولت polymerizations تتنزه مع MMS التي تحمل المجموعات الوظيفية غير المحمية التي هي معروفة لتتداخل مع محفز A (الأمينات مثل الحرة، الأوليفينات، azides، الخ). هذه المجموعات يمكن إدخالها بعد تركيب فرشاة الأولى عن طريق آخر البلمرة-التعديل 27. على سبيل المثال، قمنا بإعداد أزيد-BASPs من الطبيون هاليد الألكيل التي تم تحويلها إلى azides بعد تشكيل حزب البعث العربي الاشتراكي. واستخدمت هذه azides للنحاس بحافز أزيد آلكاين إضافة حلقية "نقرة و# 34؛ ردود الفعل.

سعينا إلى دراسة تأثير MM النقاء في مزيد من التفاصيل. كميات صغيرة من بقايا MM وBI لوحظت دوما في المؤتمر الشعبي العام يتتبع عندما أجريت تفاعلات فرشاة لأول مرة باستخدام MM أعدت من المتاحة تجاريا PEG-NH 2 (B1، الشكل 2A). كنا قد تعلمنا من التجربة أن الطبيون نقية تماما تعطي عموما الكمية تحويل MM. وعلاوة على ذلك، ونحن قد لاحظت أن كمية المتبقية MM تختلف اعتمادا على عدد من دفعة التجارية PEG-NH 2. نحن يشتبهون في أن أحد غير وظيفية PEG-NH 2 النجاسة، وربما ببساطة PEG ديول، كان مسؤولا عن الظاهر المتبقية MM النجاسة. وبالتالي، فإننا تستخدم الإعدادية-HPLC لتنقية B1 إلى B2 إعطاء نقية MM الشكل 2B يبين أن هذه العملية تنقية الواقع لم تقلل من كمية MM المتبقية (نجمة البرتقال) مرتين تقريبا، بل لم ريمولقد تماما. ومن المثير للاهتمام، وقدم B2 تحويل أعلى من BI لBASPs كذلك؛ ربما تمت إزالة النجاسة التي أدت إلى محفز التعطيل عبر الإعدادية-HPLC. لا يزال غير راضين عن كمية MM المتبقية، تابعنا أساليب الأدب لتركيب PEG-NH 2 عن طريق البلمرة أنيوني من أكسيد الإثيلين من ايثانول (تنبيه: ينبغي التعامل مع أكسيد الإثيلين من قبل المدربين، والكيميائيين من ذوي الخبرة، وإنما هي شديدة الاشتعال والمتفجرة ، والغازات السامة!) أسفرت 22،23 MM أعدت من هذا محلية الصنع PEG-NH 2 (B3) تحسين نتائج مقارنة لرسائل الوسائط المتعددة التجارية. وأظهر تحليل المؤتمر الشعبي العام من BASPs المقابلة لا MM المتبقية للكشف والقليل جدا (<1٪) المتبقية BI (الشكل 2C). وبالتالي، إذا كانت هناك حاجة BASPs عالية النقاء نوصي باستخدام MM أنقى ممكن. نلاحظ أن MM المتبقية وBI يمكن بسهولة إزالة منوBASPs أكبر من خلال غسيل الكلى بعد التوليف فرشاة الأول.

وقد استخدمنا أيضا crosslinkers بخلاف C. على سبيل المثال، قمنا بإعداد BASPs من المجمعات bisnorbornene المعدنية، والمبادرين البلمرة، وأدوات الربط، حمض شطورة، والمضيفين supramolecular. نجد أن crosslinkers مع الفواصل جامدة بين norbornenes تميل إلى توفير BASPs معظم موحدة؛ هم أقل عرضة للتفاعلات داخل الجزيء سيكليزيشن التي تستهلك norbornenes مثل crosslinkers ولكن لا تسهم في نمو حزب البعث العربي الاشتراكي.

بغض النظر عن تركيبة MM وcrosslinker، نجد أن الممارسات العامة التالية يؤدي إلى أعلى فرصة للنجاح فرشاة الأول. الأولى، قبل محاولة التوليف فرشاة الأولى مع مونومرات توليفها حديثا، نوصي جعل الفرشاة البوليمر DP = 10 وحده، وربما لفترة أطول مع البوليمرات فرشاة DP = 25 و 50. إذا كانت هذه الاختبارات بنجاح، وهناك فرصة ممتازة أن والعشرين فرشاةوسوف يكون ناجحا أيضا طريقة. الثانية، وتركيز مثالية للبلمرة فرشاة الأول هو يعتمد على التركيب الكيميائي مونومر وهيكل المكونات. نوصي باختبار عدد قليل من تركيزات على نطاق صغير قبل اتخاذ دفعة كبيرة من حزب البعث العربي الاشتراكي. الثالث، قامت polymerizations في ثنائي كلورو ميثان رباعي هيدرو الفوران أو تظهر لإعطاء أفضل النتائج؛ مونومرات التي هي قابلة للذوبان في المذيبات هذه هي مثالية. كما نوقش أعلاه، إذا كان crosslinker هو سيئة للذوبان في المذيبات هذه نوصي إضافته كمادة صلبة بدلا من إضافة المذيبات إضافية. طالما MM قابل للذوبان، نجد أن يشابك يجلب crosslinker تماما في حل في غضون دقائق. الرابع، على الرغم من أن البلمرة لا تتطلب ظروف خاملة، ونحن نوصي تخزين المحفز تحت جو خامل لزيادة عمر البطارية. الأهم من ذلك، سوف المحفز تتحلل بمرور الوقت في الحل، ويجب أن يكون مستعدا الحل المحفز الطازجة من جرابز الجيل الثالث كاليفورنياtalyst في كل مرة يتم تنفيذ سلسلة من ردود الفعل مجون. أخيرا، فإن المبلغ من crosslinker اللازمة لBASPs موحدة تختلف على نطاق واسع مع crosslinker وهيكل MM. كما هو مبين في الشكل 2، 10 من crosslinker يعادل C لا يكفي لتوفير تحويلات BI كاملة. في حالات أخرى، نجد أن إضافة 1 يعادل من crosslinker، وحتى تصل إلى 40 يعادل، ويوفر نتائج جيدة. كلما crosslinker جديدة لاستخدامه، ونحن نوصي بتشغيل سلسلة من ردود الفعل على نطاق صغير مع القيم N المختلفة لتحديد كميات crosslinker الأمثل.

كملاحظة نهائية، من المهم الاعتراف بأن العديد من الطرق البديلة موجودة لصنع النجوم على شكل بوليمرات (النواة الأولى والذراع والعشرين، وما إلى ذلك) 25، 26. كل أسلوب له عيوب ومزايا، مثل حدود لحجم ومتطلبات تنقية، والتوافق مجموعة وظيفية. ونحن نقول إن التسامح مجموعة وظيفية واسعة من مجون،سهولة تركيب مونومرات وظيفية في norbornene القائم، والقدرة على إجراء التفاعلات تتنزه على الفوق بسرعة، في موازاة ذلك، وعند درجة حرارة الغرفة، وجعل النهج مرح فرشاة الأول يستحق النظر فيه لمجموعة متنوعة من التطبيقات. في المستقبل، سوف نستمر في تطوير هذه الطريقة وحزب البعث العربي الاشتراكي nanoarchitectures لمختلف التطبيقات بما في ذلك المخدرات وإيصال الجينات، والتصوير الخلوية، والتجميع الذاتي. الإمكانات الكاملة لهذه الجسيمات الرواية، وقدرتها على تخليق اندماجي، لم يتم بعد استكشافها.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

والكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgments

نشكر إدارة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الكيمياء واللجنة المفاهيم معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لنكولن مختبرات متقدمة لدعم هذا العمل.

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

الكيمياء، العدد 80، الهندسة الكيميائية، النانوية، والبوليمرات، نظم تسليم المخدرات، البلمرة، والبوليمرات، والمواد الطبية طب الأسنان، فرشاة الأولى، البولي ايثيلين جلايكول، photodegradable، وفتح البلمرة الابدال والاحلال، وفرشاة البوليمر، نجم البوليمر، تسليم المخدرات، وهلام تخلل اللوني الدائري والذراع الأولى، الأساسية وظيفية، photocleavable
الجسيمات دون مربع: التجميعي فرشاة والعشرين من Photodegradable PEG البوليمرات ستار في ظل الظروف المحيطة
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