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Chemistry

Nanosponge Tunability आकार और Crosslinking घनत्व में

doi: 10.3791/56073 Published: August 4, 2017

Summary

यह आलेख crosslinked नैनोकणों रैखिक polyesters लटकन कार्यक्षमता वाले से covalently का आकार और crosslinking घनत्व ट्यूनिंग के लिए एक प्रक्रिया का वर्णन करता है। संश्लेषण पैरामीटर (बहुलक आण्विक वजन, लटकन कार्यक्षमता शामिल करने, और crosslinker समकक्ष) सिलाई द्वारा, एक वांछित nanoparticle आकार और crosslinking घनत्व दवा वितरण के लिए आवेदन प्राप्त किया जा सकता।

Abstract

हम रैखिक polyesters युक्त लटकन epoxide कार्यक्षमता और नियंत्रित आयामों के साथ एक nanosponge में अपने निगमन के संश्लेषण के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन। जो आने वाले पॉलिमर की लटकन functionalization के लिए महत्वपूर्ण है एक मामलों lactone के संश्लेषण के साथ इस दृष्टिकोण शुरू होता है। Valerolactone (VL) और allyl valerolactone (AVL) फिर अंगूठी-उद्घाटन बहुलकीकरण का उपयोग copolymerized हैं। बाद बहुलकीकरण संशोधन तब एक epoxide moiety कुछ या सभी लटकन allyl समूहों पर स्थापित करने के लिए उपयोग किया जाता है। Epoxy-amine रसायन विज्ञान प्रपत्र नैनोकणों के लिए पॉलिमर और छोटे अणु diamine crosslinker वांछित nanosponge आकार और crosslinking सघनता के आधार पर दोनों का एक पतला समाधान में कार्यरत है। Nanosponge आकार संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (TEM) के आयाम और वितरण निर्धारित करने के लिए इमेजिंग द्वारा होती जा सकता है। इस विधि द्वारा जो उच्च का स्वरित्र polyesters का स्वरित्र नैनोकणों, जो छोटे अणु दवा encapsulation के लिए इस्तेमाल किया जा सकता बना सकते हैं एक मार्ग प्रदान करता है। रीढ़ की हड्डी की प्रकृति के कारण, इन कणों hydrolytically और enzymatically सड़ सकने hydrophobic छोटे अणुओं की एक विस्तृत श्रृंखला की एक नियंत्रित रिहाई के लिए कर रहे हैं।

Introduction

ठीक ट्यूनिंग intermolecular crosslinking पर आधारित नैनोकणों के आकार और crosslinking के घनत्व को प्रभावित करने और इन nanosystems1की दवा जारी प्रोफाइल गाइड करने के लिए काफी महत्व की है। डिजाइन nanosponge tunability, अर्थात्, विभिन्न नेटवर्क घनत्व के कणों की तैयारी, अग्रदूत बहुलक की लटकन कार्यक्षमता और हाइड्रोफिलिक शामिल crosslinker के समकक्ष पर निर्भर है। इस दृष्टिकोण में, अग्रदूत और विलायक में crosslinker की एकाग्रता प्रपत्र नैनोकणों एक थोक जेल के बजाय एक असतत आकार के लिए महत्वपूर्ण है। एक चरित्र चित्रण तकनीक के रूप में मात्रात्मक परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी (एनएमआर) का उपयोग शामिल लटकन कार्यक्षमता और बहुलक आण्विक वजन का सटीक निर्धारण के लिए अनुमति देता है। एक बार नैनोकणों का गठन कर रहे हैं, वे कर सकते हैं हो केंद्रित और ऑर्गेनिक्स में solubilized एक nanogel के चरित्र के बिना।

हाल ही में काम nanoparticle दवा वितरण में पाली के उपयोग पर ध्यान केंद्रित है (लैक्टिक-सह-glycolic एसिड) (PLGA) स्वयं इकट्ठे नैनोकणों2,3,4,5,6। PLGA सड़ सकने एस्टर संबंधों को जो यह दवा वितरण अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है और अक्सर अपने चुपके गुण7कारण poly(ethylene glycol) (खूंटी) के साथ संयुक्त है। हालांकि, PLGA कण गठन की स्व-इकट्ठे प्रकृति के कारण, कणों solubilized जा सकता आगे functionalization के लिए ऑर्गेनिक्स में। PLGA नैनोकणों के विपरीत, एक nanoparticle निर्धारित आकार और आकृति विज्ञान, जो ऑर्गेनिक्स में स्थिर हैं और जलीय समाधान1में नीचा साथ गठन covalent crosslinking प्रस्तावित विधि प्रदान करता है। इस दृष्टिकोण का लाभ आगे रासायनिक nanosponge8की सतह functionalize करने की क्षमता हैं, और कार्बनिक विलायकों में अपनी स्थिरता दवा यौगिकों1,9के साथ कणों के बाद लोड करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता। इस विधि के साथ, encapsulation hydrophobic छोटे अणुओं के जलीय मीडिया में वर्षण से प्राप्त किया जा सकता। हाइड्रोफिलिक लघु crosslinker के साथ पॉलिएस्टर रीढ़ की hydrophobicity इन कणों शरीर के तापमान पर एक बेढब वर्ण देता है। इसके अलावा, दवा के बाद लोड हो रहा है, कण जलीय मीडिया में आसानी से इंजेक्शन में vivoबनना ठीक निलंबन फार्म कर सकते हैं। यह हमारा लक्ष्य इन पॉलिएस्टर nanosponges के संश्लेषण के लिए मापदंड का मूल्यांकन और उन है जो डिजाइन और आकार और आकृति विज्ञान के नियंत्रण के लिए vitally महत्वपूर्ण हैं यह निर्धारित करने के लिए इस काम में है।

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Representative Results

Nanosponge के संश्लेषण पैरामीटर और उसके परिणामी आकार के बीच संबंधों का मूल्यांकन करने के लिए, प्रत्येक बहुलक अग्रदूत की एकाग्रता और लटकन कार्यक्षमता महत्वपूर्ण है। चित्र 1में, nanosponges की एक successfulsynthetic योजना भाटा की शर्तों के तहत दोनों अग्रदूत बहुलक और diamine crosslinker DCM में 12 घंटे के लिए शामिल करने के बाद बाहर किया जाता है। समाधान में epoxides की एकाग्रता भी असतत कणों के गठन के लिए महत्वपूर्ण है। एक बार जब nanosponges संश्लेषित थे, TEM इमेजिंग कणों का एक सेट के सटीक आयाम निर्धारित करने के लिए इस्तेमाल किया गया था। चित्रा 2में, विभिन्न nanosponge प्रयोगों का एक संग्रह, तो दोनों के बीच एक संबंध nanosponge आकार पर असर पड़ सकता है यह निर्धारित करने के लिए अपने बहुलक अग्रदूत आणविक भार और लटकन कार्यक्षमता शामिल करने के आधार पर विश्लेषण किया गया था। आण्विक वजन एक diamine crosslinker epoxide (epoxide प्रति 2 मीट) प्रति के साथ दोनों एक 6% और 8% लगातार निगमन के लिए बढ़ जाती है के रूप में चित्रा 2में, कण के आकार को बढ़ाने का एक रुझान देखा जाता है।

चित्र 3 से पता चलता है epoxide प्रतिशत और crosslinker दोनों में वृद्धि समकक्ष एक समान प्रभाव nanosponge सेट के बीच एक समान आण्विक वजन को बनाए रखते हुए होता है कि। फिर, इन मानकों को बदलने जबकि nanosponge आकार बढ़ाने में एक प्रवृत्ति देखा है। यह समझने की कैसे बहुलक व्यापारियों के संश्लेषण परिणामी nanoparticle के आकार में विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए nanosponges ठीक धुन करने के लिए एक महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकते हैं महत्वपूर्ण है। यह भी जो अलग-अलग कण आकार, के बीच छोटे-छोटे विचलन के रूप में चित्रा 4द्वारा दिखाया गया है nanosponge के संश्लेषण के लिए एक प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य और विश्वसनीय विधि बनाए रखने के लिए महत्वपूर्ण है। ये पैरामीटर का उपयोग, आकार और मज़बूती से एक विशेष आकार का एक nanosponge reproducing के लिए एक सूत्र की एक सीमा किसी दिए गए आवेदन के लिए विकसित किया जा सकता या वांछित लक्ष्य, एक बहुमुखी और व्यावहारिक nanosponge रसायन विज्ञान जा करने के लिए यह साबित करना।

Figure 1
चित्र 1: Nanosponge के संश्लेषण के लिए प्रतिक्रिया योजना. एक रेखीय पॉलिएस्टर कोपॉलीमर लटकन allyl और epoxide कार्यात्मक समूहों वाली असतत नैनोकणों के लगभग 100 आकार आयाम के साथ फार्म के लिए एक diamine crosslinker के साथ प्रतिक्रिया व्यक्त की है nm. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्रा 2: Nanosponge Tunability के विश्लेषण के आधार आण्विक वजन और लटकन कार्यक्षमता पर. अग्रदूत पॉलीमर के आण्विक वजन पर आधारित रिश्तेदार लटकन कार्यक्षमता बनाए रखते हुए nanosponge के आकार में बदलाव का मूल्यांकन द्वारा ही, आण्विक वजन बढ़ जाती है के रूप में कण के आकार में वृद्धि के लिए 6% और 8% लगातार पॉलीमर्स दिखाया जा सकता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्रा 3: विश्लेषण Crosslinker और लटकन कार्यक्षमता की गणना Equivalencies द्वारा Nanosponge Tunability के. Crosslinker धारण द्वारा बराबर स्थिर, एक उच्च लटकन कार्यक्षमता उच्च crosslinker निगमन में परिणाम होगा। इस आंकड़े में, करने के लिए दोनों एक 6% और 10% लगातार बहुलक चार मीट epoxide (epoxide प्रति दो diamine crosslinker समकक्ष) प्रति जोड़ा गया था। अधिक crosslinker पॉलिमर और उच्च crosslinker समकक्ष प्रति अधिक epoxides के कारण nanosponge में शामिल है के रूप में, आकार बढ़ जाती है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: TEM छवि Nanosponges के. एक TEM छवि covalently लिंक्ड नैनोकणों के संश्लेषण के दौरान गठन किया। आकार 79 ± 12 समुद्री मील दूर की संकेत दिया। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

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Discussion

प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य nanosponge आकार प्राप्त करने के दवा वितरण अनुप्रयोगों में महत्वपूर्ण है। बहुलकीकरण और nanosponge के संश्लेषण में एक से अधिक पैरामीटर परिणामस्वरूप कण के आकार और crosslink घनत्व को प्रभावित। तीन महत्वपूर्ण पैरामीटर्स हमारे विश्लेषण में पहचाना गया: बहुलक आण्विक वजन, epoxide लटकन कार्यक्षमता, और crosslinker समकक्ष। आणविक भार और nanosponge के संश्लेषण के लिए epoxide कार्यक्षमताओं की एक श्रृंखला का उत्पादन करने के लिए, VL -सह -AVL कोपॉलीमर के stoichiometry बदला जा करना होगा। Allyl कार्यात्मक समूह की एकाग्रता epoxidation कोपॉलीमर के दौरान किया जा सकता या तो allyls की एक इच्छित प्रतिशत या उन सभी को epoxidize करने के लिए इस्तेमाल किया। तो एक अतिरिक्त ऑक्सीकरण एजेंट का उपयोग किया जाता है, पॉलिमर श्रृंखला की गिरावट हो सकती है; हालांकि, यह ऑक्सीकरण एजेंट की मात्रा को कम करने के द्वारा ठीक किया जा सकता। जब सभी allyls epoxidized हों, वहाँ रहे हैं कोई लटकन allyls आगे functionalization के लिए nanosponge की सतह पर। यह भी कि 0.0054 M समाधान nanosponge संश्लेषण में epoxide की एकाग्रता है nanosponge के संश्लेषण के लिए महत्वपूर्ण है।

Nanosponge प्रतिक्रिया पहले वांछित nanosponge आकार पर्वतमाला13के लिए एक इष्टतम एकाग्रता का निर्धारण करने के लिए मूल्यांकन किया गया है। इस एकाग्रता आधार पर पॉलीमर में epoxide कार्यक्षमता के लिए दोहराने इकाई मूल्य गणना की है। दोहराने इकाई एक प्रतिक्रियाशील इकाई है, जो एक पॉलिमर में प्रतिक्रियाशील इकाइयों के moles की गणना करने के लिए उपयोग किया जाता है प्रति बहुलक का वजन है। 10 प्रतिक्रियाशील एक आण्विक वजन 2000 ग्राम mol/के साथ एक बहुलक होते हैं, तो उदाहरण के लिए, के रूप में दिखाया नीचे, लटकन कार्यक्षमता द्वारा मात्रात्मक एनएमआर, निर्धारित, असर monomer इकाइयों (RMU) प्रतिक्रियाशील यूनिट पॉलीमर के 200 g/mol RMU है। इस मान का उपयोग कर, प्रतिक्रियाशील इकाइयों के moles से बहुलक वजन crosslinker की गणना equivalencies nanosponge के संश्लेषण के लिए निर्धारित करने के लिए गणना की जा सकती।

Equation 1

Equation 2

एक सामान्य प्रवृत्ति के रूप में, दोनों के लिए बहुलक आणविक भार और epoxide कार्यक्षमता में वृद्धि एक बढ़ी हुई nanosponge आकार करने के लिए स्वतंत्र रूप से योगदान दिया। एक संकीर्ण polydispersity एक संकीर्ण nanosponge आकार वितरण को प्राप्त होता है (~ 10% मानक विचलन) और nanosponge के संश्लेषण का reproducibility व्यक्ति को सुधारता है।

प्रस्तुत दृष्टिकोण एक संकीर्ण बहुलक dispersity एक टिन triflate उत्प्रेरक14के उपयोग द्वारा प्राप्त होता है। Crosslinking की गणना equivalencies आधारित epoxide समकक्ष प्रति amine पर गणना कर रहे हैं, और crosslinker समकक्ष में वृद्धि nanosponge के आकार में वृद्धि करने के लिए दिखाया गया है। हालांकि, crosslinker की एक अतिरिक्त का उपयोग सभी उपलब्ध epoxides लेने के लक्ष्य के कारण महत्वपूर्ण है। Amine कार्यक्षमता nanosponge सतह पर शेष आगे कण की सतह की functionalization के लिए इस्तेमाल किया जा सकता।

Nanoparticle तैयार करने के लिए पारंपरिक तरीकों की तुलना में, इस दृष्टिकोण में लाभ एकाधिक मापदंडों जो सटीक आकार और घनत्व द्वारा नियंत्रण प्राप्त किया जा कर सकते हैं, इसके अलावा nanosponge, और hydrophobic दवा encapsulation के लिए ऑर्गेनिक्स में विलेयता की सतह functionalize करने की क्षमता हैं।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

LK राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन स्नातक अनुसंधान फैलोशिप प्रोग्राम (डीजीई-1445197) और Vanderbilt विश्वविद्यालय रसायन विज्ञान विभाग से धन के लिए आभारी है। LK और EH ओसीरसि TEM साधन (NSF EPS 1004083) के लिए धन शुक्रिया अदा करना चाहूँगा।

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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Nanosponge Tunability आकार और Crosslinking घनत्व में
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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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