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Chemistry

Nanosponge accordabilité en taille et en densité de réticulation

doi: 10.3791/56073 Published: August 4, 2017

Summary

Cet article décrit un processus pour le réglage de la densité de taille et de la réticulation de façon covalente réticulé nanoparticules de polyesters linéaires comportant une fonction pendentif. En adaptant les paramètres de synthèse (poids moléculaire de polymères, incorporation de fonctionnalités pendentif et RETICULATION équivalents), une densité de taille et réticulation de nanoparticules souhaitées peut être obtenue pour demandes de livraison de drogue.

Abstract

Les auteurs décrivent un protocole pour la synthèse de polyesters linéaires contenant pendentif époxyde fonctionnalité et leur incorporation dans un nanosponge avec dimensions contrôlées. Cette démarche commence par la synthèse d’une lactone fonctionnalisée qui est la clé de la fonctionnalisation de pendentif du polymère qui en résulte. Valérolactone (VL) et allyl-valérolactone (AVL) sont retrouvées ensuite à l’aide de polymérisation par ouverture. Après polymérisation modification est utilisée pour installer un groupement époxyde sur certains ou tous les groupes d’allyle. Chimie de l’époxy-amine est employé aux nanoparticules de forme dans une solution diluée de polymère et de petites molécules diamine RETICULATION basé sur la densité de réticulation et de taille nanosponge désiré. Nanosponge tailles peuvent être caractérisées par transmission d’images de microscopie électronique (met) pour déterminer la dimension et la distribution. Cette méthode fournit une voie par laquelle polyesters hautement accordables peuvent créer des nanoparticules accordables, qui peuvent être utilisés pour l’encapsulation de drogue de petite molécule. En raison de la nature de la colonne vertébrale, ces particules sont hydrolytique et enzymatiquement dégradables pour une libération contrôlée d’un large éventail de molécules petites hydrophobes.

Introduction

Tuning avec précision la taille et réticulation de la densité de nanoparticules issus d’intermoléculaire réticulation est d’une grande importance pour influencer et orienter le profil de libération de médicaments de ces nanosystèmes1. Conception nanosponge accordabilité, c'est-à-direpréparer des particules de densité de réseau différent, est dépendante de la fonctionnalité de pendentif du polymère précurseur et les équivalents de la RETICULATION hydrophile constituée. Dans cette approche, la concentration du précurseur et RETICULATION dans le solvant est importante pour la forme de nanoparticules d’une taille discrète plutôt qu’un gel en vrac. Utilisant la spectroscopie quantitative la résonance magnétique nucléaire (RMN) comme une technique de caractérisation permet la détermination précise des fonctionnalités incorporées de pendentif et de poids moléculaire de polymères. Une fois que les nanoparticules sont forment, ils peuvent être concentrés et solubilisées dans matières organiques sans avoir le caractère d’un nanogel.

Des travaux récents NANOPARTICULE drug delivery a porté sur l’utilisation de poly (lactique-co-glycolique acide) (PLGA) self-assembled nanoparticules2,3,4,5,6. PLGA a liens dégradables ester qui le rendent approprié pour des applications de livraison de drogue et est souvent combiné avec poly(ethylene glycol) (PEG) en raison de ses propriétés furtif7. Cependant, en raison de la nature auto-assemblés PLGA formation de particules, les particules ne peuvent pas être solubilisées dans organiques pour davantage de fonctionnalisation. Contrairement aux nanoparticules PLGA, la méthode proposée fournit réticulation covalente formant une NANOPARTICULE avec tailles définies et la morphologie, qui sont stables en matières organiques et se dégradent dans des solutions aqueuses1. Avantages de cette approche sont la possibilité d’autres chimiquement fonctionnaliser la surface de la nanosponge8, et sa stabilité dans les solvants organiques peut être utilisée pour le chargement après des particules avec des composés pharmaceutiques1,9. Avec cette méthode, l’encapsulation de molécules hydrophobes de petites est possible par précipitation en milieu aqueux. L’hydrophobicité du squelette polyester ainsi que de la RETICULATION hydrophile court donne à ces particules un caractère amorphe à la température corporelle. En outre, après la drogue de chargement, la particule peut former des suspensions fines en milieu aqueux pour être facilement injecté in vivo. C’est notre objectif dans ce travail d’évaluer les paramètres pour la synthèse de ces nanosponges de polyester et de déterminer celles qui sont importantes pour la conception et le contrôle de la taille et la morphologie.

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Representative Results

Pour évaluer la relation entre les paramètres de synthèse de la nanosponge et sa taille qui en résulte, la fonctionnalité de concentration et pendentif de chaque précurseur de polymère est importante. Dans la Figure 1, un système de successfulsynthetic de nanosponges est effectué dans des conditions de reflux après avoir incorporé les deux précurseurs polymères et diamine RETICULATION dans DCM pendant 12 h. La concentration d’époxydes dans la solution est également essentielle à la formation de particules discrètes. Une fois que les nanosponges ont été synthétisés, imagerie TEM a servi à déterminer les dimensions précises d’un ensemble de particules. Dans la Figure 2, une collection de diverses expériences de nanosponge a été analysée basé sur leur incorporation polymère de précurseur poids moléculaire et pendentif de fonctionnalités pour déterminer si une relation entre les deux pourrait avoir un effet sur la taille de nanosponge. Dans la Figure 2, une tendance de plus en plus la taille des particules est considérée comme poids moléculaire est augmentée pour l’incorporation de l’EVL un 6 % et 8 % avec une diamine RETICULATION par époxyde (2 amines par époxyde).

La figure 3 montre qu’augmente le pourcentage de l’époxyde et RETICULATION équivalents aurait un effet similaire tout en conservant un poids moléculaire similaire entre nanosponge ensembles. Encore une fois, on voit une tendance à l’augmentation de taille de nanosponge lors du changement de ces paramètres. Il est important de comprendre comment la synthèse des précurseurs polymères peut jouer un rôle vital dans la taille des nanoparticules qui en résultent pour syntoniser précisément nanosponges pour diverses applications. Il est également important de maintenir une méthode fiable et reproductible pour la synthèse de nanosponge qui a de petits écarts entre la taille des particules individuelles, comme le montre la Figure 4. En utilisant ces paramètres, une gamme de tailles et une formule pour la reproduction de façon fiable un nanosponge d’une taille particulière peut être développée pour une application donnée ou désiré but, c’est une chimie nanosponge polyvalent et pratique.

Figure 1
Figure 1 : schéma réactionnel pour la synthèse de Nanosponge. Un copolymère polyester linéaire contenant des groupes fonctionnels allylique et époxyde pendentif réagit avec une RETICULATION diamine pour former des nanoparticules discrètes avec des dimensions de la taille d’environ 100 nm. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : analyse d’accordabilité Nanosponge basée sur le poids moléculaire et de la fonctionnalité de pendentif. En évaluant le changement dans la taille de nanosponge basée sur le poids moléculaire du polymère précurseur tout en gardant la fonctionnalité relative pendentif même, une augmentation de la taille des particules que l’augmentation de la masse moléculaire peut être démontrée pour les polymères EVL fois 6 % et 8 %. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : analyse des Nanosponge accordabilité de reticulation et pendentif fonctionnalité équivalences. En organisant la RETICULATION équivalent stationnaire, une fonctionnalité plus élevée de pendentif se traduira par incorporation de reticulation supérieure. Dans cette figure, quatre amines par époxyde (deux équivalents de reticulation diamine par époxyde) ont été ajoutés à un 6 % et 10 % polymère EVL. Reticulation plus est incorporée dans le nanosponge en raison plus époxydes par polymère et les équivalents de reticulation plus élevées, la taille augmente. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : Image TEM de Nanosponges. Une image TEM de nanoparticules liés de façon covalente formée lors de la synthèse. Indique la taille de 79 ± 12 nm. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Discussion

L’obtention reproductible nanosponge tailles est vital dans les demandes de livraison de drogue. Plusieurs paramètres dans la synthèse de la polymérisation et nanosponge affectent la taille et crosslink de la densité de la particule qui en résulte. Trois paramètres importants ont été identifiés dans notre analyse : poids moléculaire de polymères, la fonctionnalité pendentif époxyde et RETICULATION équivalents. Afin de produire un éventail de poids moléculaires et fonctionnalités époxyde pour la synthèse de nanosponge, la stoechiométrie du VL -co -AVL copolymère doit être modifiée. La concentration du groupe allyle fonctionnel au cours de l’époxydation du copolymère peut être utilisé pour epoxidize, soit un pourcentage désiré d’allyls ou la totalité d'entre eux. Si un excès d’oxydant agent est utilisé, la dégradation de la chaîne de polymère peut se produire ; Cependant, ceci peut être remédié en réduisant la quantité d’oxydant. Lorsque tous les allyls sont époxydée, il n’y a aucun allyls pendentif sur la surface de la nanosponge pour davantage de fonctionnalisation. Il est également important pour la synthèse de nanosponge de la concentration de l’époxyde dans la synthèse de nanosponge solution 0,0054 M.

La réaction de nanosponge a été précédemment évaluée afin de déterminer une concentration optimale pour désiré nanosponge taille gammes13. Cette concentration est calculée selon la valeur de l’unité de répétition pour les fonctionnalités d’époxyde dans le polymère. L’unité de répétition est le poids du polymère par une unité réactive, qui sert à calculer les taupes d’unités réactives dans un polymère. Par exemple, comme indiqué ci-dessous, si un polymère avec un poids moléculaire de 2 000 g/mol contient 10 réactive unités monomères (RMU) ayant des fonctionnalités de pendentif, déterminées par RMN quantitative, l’unité réactive du polymère est 200 g/mol RMU. À l’aide de cette valeur, les taupes d’unités réactives peuvent être calculées de la masse du polymère afin de déterminer les équivalences de reticulation nanosponge synthèse.

Equation 1

Equation 2

Comme une tendance générale, augmente le poids moléculaire de polymères et fonctionnalité époxyde a contribué à une taille accrue nanosponge indépendamment. Une polydispersité étroite permet d’obtenir une granulométrie étroite nanosponge (~ 10 % d’écart) et améliore la reproductibilité de la synthèse nanosponge.

L’approche présentée permet d’obtenir une dispersion de polymère étroit par l’utilisation d’un catalyseur triflate étain14. Les équivalences de réticulation sont calculées en fonction de l’aminé par équivalents époxyde, et une augmentation de reticulation équivalents est indiquée pour augmenter la taille de nanosponge. Toutefois, à l’aide d’un excès de reticulation est important en raison de l’objectif de consommer tous les époxydes disponibles. Restant des fonctionnalités d’amine sur la surface de nanosponge peut être utilisé pour plus de fonctionnalisation de la surface de la particule.

Par rapport aux méthodes conventionnelles pour la préparation de nanoparticules, les avantages de cette approche sont les paramètres multiples par quelle taille précise et de la densité de contrôle peut être obtenu, la capacité de fonctionnaliser davantage la surface de la nanosponge et la solubilité dans les matières organiques pour l’encapsulation de médicament hydrophobe.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

LK est reconnaissante pour le financement de la National Science Foundation Research Fellowship programme d’études supérieures (DGE-1445197) et le département de chimie de l’Université Vanderbilt. LK et EH tiens à remercier le financement de l’instrument Osiris TEM (NSF EPS 1004083).

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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Nanosponge accordabilité en taille et en densité de réticulation
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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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