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Chemistry

Nanosponge 可调大小和交联密度

doi: 10.3791/56073 Published: August 4, 2017

Summary

这篇文章描述一个调优共价交联纳米粒子从线性聚酯含吊坠功能的大小和交联密度的过程。由裁缝合成参数 (聚合物的分子量、 吊坠功能纳入和交联剂等价物),所需的纳米颗粒大小和交联密度可以实现对药物释放的应用。

Abstract

我们描述一种协议包含吊坠环氧功能并将其纳入到 nanosponge 与控制尺寸的线性聚酯的合成。这种做法始于官能化的内酯是关键吊坠官能化聚合物的合成。内酯 (VL) 和烯丙基-内酯 (AVL) 进行共聚反应使用开环聚合。后聚合改性然后用于在某些或所有吊坠烯丙基组上安装环氧化合物基团。环氧-胺化学被受雇于窗体纳米粒子在稀溶液中聚合物和基于所需的 nanosponge 大小和交联密度的小分子二胺交联剂。Nanosponge 大小可以通过透射电镜 (TEM) 成像以确定尺寸和分布特点。此方法提供了高度可调谐聚酯可以创建可调谐纳米粒子,可以用于小分子药物封装路径。由于骨干的性质,这些粒子是水解和酶降解的缓释作用的疏水性小分子的种类繁多。

Introduction

精确地调整基于分子间交联的纳米粒子的大小和交联密度是非常重要的影响与导向药物释放的这些纳米技术1。设计 nanosponge 的可调性,,准备不同的网络密度的颗粒,是依赖于前体聚合物的吊坠功能和成立为法团的亲水性交联剂的等价物。在此方法中,前体和交联剂在溶剂中的浓度是重要形式纳米粒子的离散的大小,而不是一种大容量的凝胶。利用定量核磁共振 (NMR) 作为一种表征技术允许注册挂件功能和聚合物相对分子质量的精确测定。一旦形成纳米粒子,它们可以集中和可溶性有机物中没有的纳米凝胶具有的特点。

纳米药物载体在最近的工作重点在使用聚 (乳酸-co-乙醇酸) (PLGA) 自组装纳米粒子23456。PLGA 具有可降解的酯键,使其适合药物释放的应用和经常结合 poly(ethylene glycol) (PEG) 由于其隐身性能7。然而,由于 PLGA 颗粒形成的自组装性质,粒子不能溶解的有机物为进一步功能化。与 PLGA 纳米粒,提出的方法提供共价交联形成纳米粒子和定义的大小和形态,这是稳定中有机物和降解水溶液1中。这种方法的优点是能够进一步化学功能覆层表面的 nanosponge8,和其在有机溶剂中的稳定性可以用于与药物化合物19颗粒后加载。使用此方法,封装,疏水性小分子可以通过沉淀到水介质。疏水性和亲水性短交联剂的聚酯骨干给这些粒子在体温非晶结构特征。此外后载药量、, 颗粒可形成细悬浮液在水介质要随时注入的体内。它是我们在这项工作来评估这些聚酯 nanosponges 合成参数,并确定那些是非常重要的设计和控制大小和形态的目标。

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Representative Results

为了评估 nanosponge 的合成参数和其合力的大小之间的关系,每个聚合物前驱体的浓度及吊坠功能是重要的。在图 1中,nanosponges successfulsynthetic 计划进行回流条件下结合这两种前体聚合物和二元胺交联剂在 DCM 12 小时后。环氧化合物在溶液中的浓度,对形成离散粒子至关重要。一旦合成了 nanosponges,透射电镜成像用来确定粒子一套精确的尺寸。在图 2中,集合各种 nanosponge 实验分析了基于聚合物前驱体分子量及吊坠功能纳入以确定两者之间的关系可能会对 nanosponge 大小的影响。在图 2中,增加粒子大小的趋势看作是分子量增加为 6%和 8 %evl 结合一二胺交联剂每环氧 (2 每环氧胺)。

图 3显示,增加环氧百分比和交联剂等价物会有类似的效果同时保持类似的分子量 nanosponge 集之间。再次,nanosponge 大小的增加,而改变这些参数见过的趋势。它是重要的是了解如何聚合物前体的合成可以发挥着至关重要的作用在合成纳米粒子的尺寸要精确调整 nanosponges 为各种应用程序。它也是重要的是保持可再现且可靠的方法,nanosponge 合成具有单个粒子大小之间的细微偏差,按图 4所示。利用这些参数,各种大小和可靠地再现,一个特定大小的 nanosponge 公式可发展为一个给定的应用程序或所需目标,证明这是多才多艺和实际 nanosponge 化学。

Figure 1
图 1: Nanosponge 合成的反应计划。线性的聚酯共聚物含有吊坠烯丙基和环氧官能团反应与二胺交联,形成离散纳米尺寸的大约 100 毫微米。请点击这里查看此图的大版本。

Figure 2
图 2: 基于分子量和吊坠功能分析 Nanosponge 可调。通过评估的变化,同时保持相对吊坠功能基于前体聚合物分子量的 nanosponge 大小相同,粒径随着分子量的增加而增加可以显示为 6%和 8 %evl 聚合物。请点击这里查看此图的大版本。

Figure 3
图 3: Nanosponge 可调的交联剂和吊坠功能等效项的分析。牵着交联剂相当稳定,功能更强的挂件会导致高交联剂纳入。在此图中,每环氧化合物 (两个二胺交联剂等效每环氧) 四胺加入 6%和 10 %evl 聚合物。随着更多的交联剂纳入由于每聚合物和高交联剂等价物更多环氧化合物 nanosponge,大小增加。请点击这里查看此图的大版本。

Figure 4
图 4: 透射电镜图像的 Nanosponges.在合成过程中形成的共价键链接纳米粒子 TEM 图像。表示的 79 ± 12 毫微米大小。请点击这里查看此图的大版本。

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Discussion

获得重现性好的 nanosponge 大小对药物释放的应用至关重要。在聚合和 nanosponge 合成的多个参数影响产生粒子的大小和交联密度。在我们的分析,确定了三个重要参数: 聚合物的分子量、 环氧吊坠功能和交联剂等价物。为了生产出一系列的分子量和 nanosponge 合成的环氧功能,必须改变共聚物组成及 VL-co-AVL。在环氧化反应的共聚物的烯丙基官能团浓度可用于 epoxidize allyls 所需的百分比或所有这些。如果使用了过量的氧化剂,可以发生降解的高分子链;然而,这可以弥补减少的氧化剂的量。当所有 allyls 环氧大豆油,没有挂件 allyls 表面的 nanosponge 为进一步功能化。它也是重要的在 nanosponge 溶液法合成环氧浓度是 0.0054 M 的 nanosponge 合成。

Nanosponge 反应已先前评估,以确定所需的 nanosponge 大小范围13最佳浓度。基于环氧功能聚合物中的重复单元值,计算了这种集中。重复的单位是每一个无功的单位,用来计算无功的单位,在一种聚合物的痣聚合物的重量。例如,如下所示,如果一种聚合物的分子量为 2,000 g/mol,包含 10 无功单体单元 (RMU) 轴承挂件功能,由定量核磁共振,确定无功单元是聚合物的 200 g/mol RMU。使用此值,无功的单位的痣可以计算从聚合物重量以确定交联剂等相等的 nanosponge 合成。

Equation 1

Equation 2

作为一个一般的趋势,增加聚合物的分子量和环氧功能独立贡献增加的 nanosponge 大小。窄的分子量分布达到窄 nanosponge 大小分布 (~ 10%标准偏差) 和改进的 nanosponge 合成的可重复性。

该方法通过使用锡三氟甲磺酸催化剂14实现窄聚合物分散性。基于胺每环氧当量计算的交联等效结构和交联剂等价物增加显示增加的 nanosponge 大小。然而,使用过量的交联剂是重要,因为消耗所有可用的环氧化合物的目标。剩余的胺 nanosponge 表面上的功能可以用于进一步功能化颗粒表面。

与传统的纳米粒子制备方法相比,在这种方法的优点是多个参数的精确大小和密度可以实现控制,能够进一步功能覆层表面疏水性药物封装有机物中的溶解度和 nanosponge。

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Disclosures

作者没有透露。

Acknowledgments

LK 是感谢来自全国科学基金会研究生研究奖学金项目 (DGE-1445197) 和范德比尔特大学化学系的资金。LK 和 EH 要感谢欧西里斯瞬变电磁法仪器 (NSF EPS 1004083) 的资金。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
2,2'-(Ethylenedioxy)bis(ethylamine) Sigma-Aldrich 385506-100ML
3-methyl-1-butanol Sigma-Aldrich 309435-100ML anhydrous, ≥99%
Acetone Sigma-Aldrich 179124-4L
Allyl bromide Sigma-Aldrich A29585-5G ≥99%
Ammonium chloride Fisher Scientific A661-500 saturated solution in DI water
Cell culture water Sigma-Aldrich W3500-500ML Filtered through 0.45 μm syringe filter
Dichloromethane (DCM) Sigma-Aldrich 270997-100ML anhydrous, ≥99%, contains 40 - 150 ppm amylene as stabilizer
Ethyl Acetate Fisher Scientific E145SK-4
EZFlow 0.2 μm Syringe Filter Foxx Life Sciences 386-2116-OEM Hydrophillic PTFE, 13 mm
EZFlow 0.45 μm Syringe Filter Foxx Life Sciences 386-3126-OEM Hydrophillic PTFE, 25 mm
Fisherbrand Disposable Borosilicate Glass Test Tubes with Plain End Fisher Scientific 14-961-31
Fisherbrand Microcentrifuge Tubes Fisher Scientific 14-666-318 1.5 mL
Hamilton Microliter Syringe, 100 μL Hamilton Company 80600 Model 710 N SYR, Cemented NDL, 22s ga, 2 in, point style 2
Hexamethylphosphoramide Sigma-Aldrich H11602-100G ≥99%, contains ≤1,000 ppm propylene oxide as stabilizer
Hexanes Fisher Scientific H292-4
Magnesium sulfate anhydrous Fisher Scientific M65-500
Meta-chloroperoxybenzoic acid Sigma-Aldrich 273031-100G Purified to ≥99% by buffer wash
Methanol (MeOH) Sigma-Aldrich 322415-100ML anhydrous, ≥99%
N-butyllithium solution Sigma-Aldrich 230707-100ML 2.5 M in hexanes
N,N-diisopropylethylamine Sigma-Aldrich 550043-500ML ≥99%
Parafilm M Sigma-Aldrich P7793-1EA
PELCO Pro Reverse (Self-Closing) Tweezers Ted Pella, Inc. 5375-NM
Phosphotungstic acid hydrate Alfa Aesar 40116
Q55 Sonicator Qsonica Q55-110 55 Watts, 20 kHz
SiliaMetS Cysteine Silicycle R80530B-10g
SnakeSkin Dialysis Clips Thermo Scientific 68011
SnakeSkin Dialysis Tubing, 10K MWCO Thermo Scientific 68100
Sodium bicarbonate Fisher Scientific 5233-500 saturated solution in DI water
TEM grid Ted Pella, Inc. 01822-F Ultrathin Carbon Type-A, 400 mesh, Copper, approx. grid hole size: 42 µm
Tetrahydrofuran (THF) Sigma-Aldrich 401757-1L Anhydrous, ≥99.9%, inhibitor-free
Tin(II) trifluoromethanesulfonate Sigma-Aldrich 388122-1G
Vortex-Genie 2 Scientific Industries SI-0236
Whatman Filter Paper, Grade 1 Fisher Scientific 09-805H Circles, 185 mm
δ-valerolactone Sigma-Aldrich 389579-100ML Purified by vacuum distillation

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References

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Kendrick-Williams, L. L., Harth, E. Nanosponge Tunability in Size and Crosslinking Density. J. Vis. Exp. (126), e56073, doi:10.3791/56073 (2017).More

Kendrick-Williams, L. L., Harth, E. Nanosponge Tunability in Size and Crosslinking Density. J. Vis. Exp. (126), e56073, doi:10.3791/56073 (2017).

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