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Chemistry

Nanosponge Einstellbarkeit in Größe und Dichte Vernetzung

doi: 10.3791/56073 Published: August 4, 2017

Summary

Dieser Artikel beschreibt ein Verfahren zur Optimierung der Größe und Vernetzung Dichte kovalent vernetzt Nanopartikel aus linearen Polyestern mit Anhänger-Funktionalität. Durch maßgeschneiderte Synthese Parameter (Molekulargewicht Polymer, Anhänger Funktionalität Einarbeitung und Vernetzer Äquivalente), kann eine gewünschte Nanopartikel Größe und Vernetzung Dichte für Drug Delivery Anwendungen erreicht werden.

Abstract

Wir beschreiben ein Protokoll für die Synthese von linearen Polyestern, Anhänger Epoxid Funktionalität und ihre Einbindung in ein Nanosponge mit kontrollierten Dimensionen enthält. Dieser Ansatz beginnt mit der Synthese von einer funktionalisierten Lacton die Schlüssel für die Anhänger Funktionalisierung des resultierenden Polymers ist. Valerolactone (VL) und Allyl-Valerolactone (AVL) sind dann copolymerisiert mit ringöffnende Polymerisation. Post-Polymerisation Modifikation dient dann ein Epoxid glyko-auf einige oder alle der Anhänger-Allyl-Gruppen zu installieren. Epoxy-Amin Chemie wird in Form von Nanopartikeln in einer verdünnten Lösung von Polymer und niedermolekularer Diamin Vernetzer basierend auf die gewünschte Nanosponge Größe und Vernetzung Dichte eingesetzt. Nanosponge Größen können durch Übertragung Elektronenmikroskopie (TEM) imaging zu bestimmen, die Dimension und die Verteilung charakterisiert werden. Diese Methode bietet einen Weg durch den höchst abstimmbare Polyestern abstimmbaren Nanopartikel erstellen können, die für niedermolekulare Arzneimittel Kapselung verwendet werden können. Aufgrund der Beschaffenheit des Rückgrats sind diese Partikel hydrolytically und enzymatisch abbaubar für eine kontrollierte Freisetzung einer breiten Palette von hydrophoben kleine Moleküle.

Introduction

Genau die Größe und Vernetzung Dichte von Nanopartikeln basierend auf intermolekularen Vernetzung tuning ist von großer Bedeutung zu beeinflussen und lenken die Droge Freisetzungsprofil diese Nanosysteme1. Gestaltung Nanosponge Einstellbarkeit, d. h.Vorbereitung Partikel von verschiedenen Netzwerk-dichten, ist angewiesen auf die Anhänger-Funktionalität des Polymers Vorläufer und die Äquivalente der hydrophilen Vernetzer aufgenommen. Bei diesem Ansatz ist die Konzentration der Vorläufer und Vernetzer in dem Lösungsmittel wichtig, Form-Nanopartikel eine diskrete Größe anstatt eine Bulk-Gel. Mit Hilfe quantitativer Kernresonanzspektroskopie (NMR) als Charakterisierung Technik ermöglicht die genaue Bestimmung der eingearbeitete Anhänger Funktionalität und Molekulargewicht Polymer. Sobald Nanopartikel gebildet werden, können sie konzentriert und ohne den Charakter einer Nanogel in Organics solubilisiert.

Neuere Arbeiten in Nanopartikel-Drug-Delivery konzentriert sich auf die Verwendung von Poly (Milchsäure-co-Glykolsäure) (PLGA) selbst zusammengebaut Nanopartikel2,3,4,5,6. PLGA hat abbaubarem Ester-Verbindungen macht es für Drug Delivery Anwendungen geeignet und wird häufig kombiniert mit Poly(ethylene glycol) (PEG) aufgrund seiner Stealth-Eigenschaften-7. Jedoch können nicht aufgrund der selbst-zusammengebauten PLGA Partikelbildung Partikel in Bio für weitere Funktionalisierung solubilisiert werden. Im Gegensatz zur PLGA Nanopartikel bietet die vorgeschlagene Methode kovalente Vernetzung bilden ein Nanopartikel mit definierten Größen und Morphologie, die stabil in organischen Stoffen und in wässrigen Lösungen1abgebaut. Vorteile dieses Ansatzes sind die Möglichkeit, weitere chemisch funktionalisieren die Oberfläche des Nanosponge8, und seine Stabilität in organischen Lösungsmitteln verwendet werden, für das nach dem Laden der Partikel mit Arzneimittel zur Behandlung von1,9. Mit dieser Methode kann die Kapselung der hydrophoben kleine Moleküle durch Fällung in wässrigen Medien erreicht werden. Die Hydrophobie des Polyester-Backbones gemeinsam mit der hydrophilen kurze Vernetzer verleiht diese Partikel einen amorphe Charakter bei Körpertemperatur. Darüber hinaus kann das Teilchen nach Medikament laden, feine Suspensionen in wässrigen Medien bereitwillig injizierten in Vivozu bilden. Es ist unser Ziel in dieser Arbeit zu bewerten die Parameter für die Synthese von diesen Polyester Nanosponges und diejenigen, die von entscheidender für das Design und die Kontrolle über Größe und Morphologie Bedeutung zu bestimmen.

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Representative Results

Um die Beziehung zwischen der Synthese-Parameter von der Nanosponge und der daraus resultierende Größe zu bewerten, ist die Konzentration und Anhänger Funktionalität jedes Polymer-Vorstufe wichtig. In Abbildung 1ein Successfulsynthetic Schema der Nanosponges unter Rückfluß Bedingungen erfolgt nach Einbeziehung sowohl Vorläufer Polymer und Diamin Vernetzer in DCM für 12 h. Die Konzentration der Epoxide in der Lösung ist auch entscheidend für diskrete Teilchen bilden. Sobald Nanosponges synthetisiert wurden, war TEM Bildgebung verwendet, um die genauen Maße eines Satzes von Teilchen zu bestimmen. In Abbildung 2wurde eine Sammlung von verschiedenen Nanosponge Experimenten analysiert anhand ihrer Polymer Vorläufer Molekulargewicht und Anhänger Funktionalität Aufnahme um festzustellen, ob eine Beziehung zwischen den beiden auf die Nanosponge Größe auswirken könnten. In Abbildung 2ist ein Trend zunehmender Partikelgröße gesehen, wie Molekulargewicht für eine 6 % und 8 % EVL-Aufnahme mit einem Diamin Vernetzer pro Epoxid (2 Amine pro Epoxid) erhöht wird.

Abbildung 3 zeigt, dass die Erhöhung der Epoxid-Prozentsatz und Vernetzer äquivalente einen ähnlichen Effekt haben würde unter Beibehaltung einer ähnlichen Molekulargewicht zwischen den Nanosponge Sätzen. Wieder ist ein Trend in Nanosponge Vergrößerung während der Änderung dieser Parameter gesehen. Es ist wichtig zu verstehen, wie die Synthese von Polymeren Vorstufen in der daraus resultierenden Nanopartikelgröße Tune genau Nanosponges für verschiedene Anwendungen eine entscheidende Rolle spielen kann. Es ist auch wichtig, eine reproduzierbare und zuverlässige Methode zur Synthese von Nanosponge hat kleine Abweichungen bei einzelnen Partikelgröße, wie in Abbildung 4dargestellt. Durch die Nutzung dieser Parameter, verschiedenste Größen und eine Formel für ein Nanosponge einer bestimmten Größe zuverlässig reproduzieren kann für eine bestimmte Anwendung entwickelt werden oder gewünschte Ziel, beweist dies zu einem vielseitigen und praktischen Nanosponge Chemie.

Figure 1
Abbildung 1: Reaktionsschema für die Synthese von Nanosponge. Ein linearer Polyester Copolymer mit Anhänger Allyl und Epoxid Funktionsgruppen ist reagierte mit einem Diamin Vernetzer zu diskreten Nanopartikel mit Abmessungen von etwa 100 nm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: Analyse der Nanosponge Einstellbarkeit basierend auf Molekulargewicht und Anhänger Funktionalität. Durch die Auswertung der Änderung in der Nanosponge Größe basierend auf das Molekulargewicht des Polymers Vorläufer unter Beibehaltung der relativen Anhänger-Funktionalität kann das gleiche Zunahme der Partikelgröße steigendem Molekulargewicht bei 6 % und 8 % EVL Polymeren gezeigt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3: Analyse der Nanosponge Einstellbarkeit von Vernetzer und Anhänger Funktionalität Äquivalenzen. Durch das halten der Vernetzer gleichwertige stetige, eine höhere Funktionalität der Anhänger führt zu höheren Vernetzer Aufnahme. In dieser Abbildung wurden vier Amine pro Epoxid (zwei Diamin Vernetzer Äquivalente pro Epoxid) eine 6 % und 10 % EVL Polymer hinzugefügt. Als weitere Vernetzer in der Nanosponge durch weitere Epoxide pro Polymer und höhere Vernetzer äquivalente aufgenommen wird, erhöht sich die Größe. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4: TEM-Bild von Nanosponges. Eine TEM-Bild von kovalent verknüpfte Nanopartikeln gebildet während der Synthese. Größe von 79 ± 12 nm angegeben. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

Reproduzierbare Nanosponge Größen zu erhalten ist Droge Lieferung Anwendungen unerlässlich. Mehrere Parameter bei der Polymerisation und Nanosponge beeinflussen die Größe und Crosslink Dichte der entstehenden Teilchen. Drei wichtige Parameter wurden in unserer Analyse identifiziert: Polymer Molekulargewicht, Epoxid-Anhänger-Funktionalität und Vernetzer Entsprechungen. Um eine Reihe von Molekulargewichten und Epoxid-Funktionalitäten für die Nanosponge-Synthese zu erzeugen, muss die Stöchiometrie des VL -co -AVL Copolymers geändert werden. Die Konzentration des Allyl-Funktionsgruppe während Epoxidierung des Copolymers kann werden verwendet, um Epoxidize entweder einen gewünschten Prozentsatz der Allyls oder alle von ihnen. Abbau der Polymerkette kann auftreten, wenn ein Übermaß an Oxidationsmittel verwendet wird, jedoch kann dies behoben werden, durch Verringerung der Menge des Oxidationsmittels. Wenn alle Allyls Epoxidized sind, gibt es keine Anhänger-Allyls auf der Oberfläche des Nanosponge für weitere Funktionalisierung. Es ist auch wichtig für die Synthese von Nanosponge, die die Konzentration von Epoxid in Lösung Nanosponge Synthese 0,0054 M ist.

Die Nanosponge Reaktion ist bisher ausgewertet worden, um eine optimale Konzentration für die gewünschte Nanosponge Größe reicht13bestimmen. Diese Konzentration errechnet sich der wiederholten Einheitswert für die Epoxid-Funktionalität im Polymer. Die wiederholte Einheit ist das Gewicht der Polymer pro eine reaktive Einheit, die verwendet wird, um die Maulwürfe von reaktiven Einheiten in einem Polymer zu berechnen. Beispielsweise enthält ein Polymer mit einem Molekulargewicht von 2.000 g/Mol 10 reaktiv ist wie unten dargestellt, Monomer-Einheiten (RMU) mit Anhänger Funktionalität, durch quantitative NMR bestimmt, die reaktive Einheit des Polymers 200 g/Mol RMU. Diesen Wert verwenden, können die Maulwürfe von reaktiven Einheiten aus dem Polymer-Gewicht berechnet werden, um festzustellen, Vernetzer Äquivalenzen für Nanosponge Synthese.

Equation 1

Equation 2

Ein allgemeiner Trend beigetragen, Erhöhung der Polymer Molekulargewicht und Epoxid-Funktionalität zu einer erhöhten Nanosponge Größe unabhängig. Eine schmale Polydispersität erreicht eine schmale Nanosponge Größenverteilung (~ 10 % Standardabweichung) und verbessert die Reproduzierbarkeit der Nanosponge Synthese.

Der vorgestellte Ansatz erreicht eine schmale Polymer Dispersität durch Verwendung eines Zinn triflate Katalysator-14. Die Vernetzung Äquivalenzen basierend auf das Amin pro Epoxid-äquivalente berechnet und Zunahme der Vernetzer äquivalente wird angezeigt, um die Nanosponge zu vergrößern. Mit einem Überschuss von Vernetzer ist jedoch wichtig, da das Ziel des Verzehrs von allen verfügbaren Epoxide. Verbleibenden Amin-Funktionalität auf der Nanosponge Oberfläche kann für weitere Funktionalisierung der Oberfläche der Partikel verwendet werden.

Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden zur Vorbereitung der Nanopartikel, liegen die Vorteile bei diesem Ansatz die mehrere Parameter durch die genaue Größe, die, die und Dichte Kontrolle erreicht werden kann, die Fähigkeit, die Oberfläche der Nanosponge und der Löslichkeit in der Bio für hydrophobe Medikament Kapselung weiter funktionalisieren.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

LK ist dankbar für die Finanzierung von der National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (DGE-1445197) und Vanderbilt Universität Fachbereich Chemie. LK und EH möchte danken, die Finanzierung für das Osiris TEM Instrument (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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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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