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Chemistry

Nanosponge accordabilità in dimensioni e densità di reticolazione

doi: 10.3791/56073 Published: August 4, 2017

Summary

Questo articolo viene descritto un processo per la sintonizzazione la densità dimensioni e reticolazione di covalenza reticolato nanoparticelle dai poliesteri lineari contenenti funzionalità di sospensione. Adattando i parametri di sintesi (peso molecolare del polimero, incorporazione di funzionalità pendente e crosslinker equivalenti), una densità di dimensione e reticolazione di nanoparticella desiderato può essere raggiunto per le applicazioni di consegna di droga.

Abstract

Descriviamo un protocollo per la sintesi di poliesteri lineari contenenti ciondolo epossido funzionalità e la loro incorporazione in un nanosponge con dimensioni contenute. Questo approccio inizia con la sintesi di un lattone funzionalizzato che è la chiave per la funzionalizzazione di pendente del polimero risultante. Valerolactone (VL) e allil-valerolactone (AVL) sono quindi copolimerizzati mediante polimerizzazione per apertura di anello. Modificazione post-polimerizzazione viene quindi utilizzato per installare una parte di epossido su alcuni o su tutti i gruppi di allile pendente. Chimica a resina epossidica-ammina è impiegato alle nanoparticelle di forma in una soluzione diluita di polimero e di piccola molecola diammina crosslinker basato sulla densità desiderata nanosponge dimensioni e reticolazione. Nanosponge dimensioni possono essere caratterizzati da trasmissione microscopia elettronica (TEM) imaging per determinare la dimensione e la distribuzione. Questo metodo fornisce un percorso mediante il quale altamente sintonizzabile poliesteri possono creare sintonizzabile nanoparticelle, che possono essere utilizzate per l'incapsulamento di piccola molecola farmaco. A causa della natura della spina dorsale, queste particelle sono idroliticamente ed enzimaticamente degradabile per un rilascio controllato di una vasta gamma di piccole molecole idrofobiche.

Introduction

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Tuning precisamente la densità dimensioni e reticolazione delle nanoparticelle basate su reticolazione intermolecolare è di grande importanza per influenzare e guidare il profilo di rilascio del farmaco di questi nanosistemi1. Progettazione nanosponge accordabilità, vale a dire, preparando particelle delle densità di rete diversi, dipende la funzionalità di sospensione del polimero precursore e gli equivalenti del reticolante idrofila incorporato. In questo approccio, la concentrazione del precursore e crosslinker nel solvente è importante forma nanoparticelle di una dimensione discreta, piuttosto che un gel di massa. Utilizzando quantitativi risonanza magnetica spettroscopia (RMN) come una tecnica di caratterizzazione permette la determinazione precisa della funzionalità incorporata pendente e peso molecolare del polimero. Una volta che le nanoparticelle sono formate, possono essere concentrati e solubilizzati in sostanze organiche senza avere il carattere di un nanogel.

Lavoro recente nella veicolazione delle nanoparticelle è incentrato sull'uso di poli (lattico-co-glicolico) (PLGA) self-assembled nanoparticelle2,3,4,5,6. PLGA ha legami estere degradabile che lo rendono idoneo per applicazioni di consegna di droga ed è spesso combinato con poly(ethylene glycol) (PEG) a causa della sua proprietà stealth7. Tuttavia, a causa della natura auto-assemblata di formazione di particelle PLGA, le particelle non possono essere solubilizzate in sostanze organiche per ulteriore funzionalizzazione. In contrasto con nanoparticelle PLGA, il metodo proposto offre reticolazione covalente formando una nanoparticella con dimensioni definite e morfologia, che sono stabili nel biologico e degradano in soluzioni acquose1. Vantaggi di questo approccio sono la possibilità di ulteriore funzionalizzare chimicamente la superficie del nanosponge8, e la sua stabilità in solventi organici può essere utilizzato per il post-carico delle particelle con composti farmaceutici1,9. Con questo metodo, incapsulamento di piccole molecole idrofobiche può essere realizzato mediante precipitazione in mezzi acquosi. L'idrofobicità del backbone poliestere insieme il reticolante breve idrofila conferisce a queste particelle un carattere amorfo a temperatura corporea. Inoltre, dopo la droga di caricamento, la particella può formare sospensioni bene in mezzi acquosi per essere prontamente iniettati in vivo. È il nostro obiettivo in questo lavoro per valutare i parametri per la sintesi di questi nanospugne poliestere e determinare quelli che sono di vitale importanza per la progettazione e il controllo delle dimensioni e morfologia.

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Representative Results

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Per valutare la relazione tra i parametri di sintesi del nanosponge e la sua dimensione risultante, la concentrazione e a sospensione funzionalità di ogni precursore del polimero è importante. Nella Figura 1, un regime di successfulsynthetic delle nanospugne avviene in condizioni di reflusso dopo che incorporano entrambi precursore ai polimeri e diammina reticolante in DCM per 12 h. La concentrazione di epossidi nella soluzione è anche fondamentale per formare particelle discrete. Una volta che sono stati sintetizzati nanospugne, formazione immagine TEM è stata usata per determinare le dimensioni precise di un insieme di particelle. In Figura 2, una raccolta di vari esperimenti di nanosponge è stata analizzata basato su loro polimero precursore peso molecolare e a sospensione funzionalità incorporazione per determinare se una relazione tra i due potrebbe avere un effetto sulle dimensioni del nanosponge. Nella Figura 2, una tendenza di aumento della dimensione delle particelle è visto come peso molecolare è aumentato per l'incorporazione di EVL per un 6% e l'8% con una diammina reticolante per epossido (2 ammine per epossido).

La figura 3 Mostra che aumentando la percentuale di epossido e il reticolante equivalenti avrebbe un effetto simile pur mantenendo un peso molecolare simile tra insiemi di nanosponge. Ancora una volta, è visto un trend in aumento dimensioni nanosponge durante la modifica di questi parametri. È importante capire come la sintesi dei precursori del polimero può giocare un ruolo vitale nella dimensione delle nanoparticelle risultante a sintonizzare precisamente nanospugne per varie applicazioni. È anche importante mantenere un metodo attendibile e riproducibile per la sintesi di nanosponge che ha piccole deviazioni tra dimensione delle particelle individuali, come mostrato dalla Figura 4. Utilizzando questi parametri, una gamma di dimensioni e una formula per riprodurre in modo affidabile un nanosponge di una dimensione particolare può essere sviluppata per una determinata applicazione o desiderato obiettivo, sta dimostrando questo per essere una chimica di nanosponge versatile e pratico.

Figure 1
Figura 1: schema di reazione per la sintesi di Nanosponge. Un copolimero di poliestere lineare contenenti pendente di allile ed epossido di gruppi funzionali è ha reagito con una diammina reticolante per formare nanoparticelle discrete con dimensioni di circa 100 nm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: analisi di Nanosponge accordabilità basata sul peso molecolare e la funzionalità di sospensione. Valutando il cambiamento delle dimensioni di nanosponge basato sul peso molecolare del polimero precursore, mantenendo la funzionalità di sospensione relativa lo stesso, un aumento delle dimensioni delle particelle come gli aumenti di peso molecolare possa essere indicato per polimeri EVL sia 6% e 8%. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: analisi di Nanosponge accordabilità da reticolante e ciondolo funzionalità equivalenti del. Tenendo il reticolante equivalente costante, una funzionalità di sospensione superiore si tradurrà in maggiore crosslinker incorporazione. In questa figura, un 6% e il 10% di polimero EVL sono stati aggiunti quattro ammine per epossido (due equivalenti di reticolante diammina per epossido). Come più reticolante è incorporato nella nanosponge a causa di ulteriori epossidi al polimero e superiore crosslinker equivalenti, la dimensione aumenta. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: immagine TEM di nanospugne. Un immagine TEM di nanoparticelle covalentemente formata durante la sintesi. Indicata la dimensione del 79 ± 12 nm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

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Come ottenere formati riproducibili nanosponge è di vitale importanza nelle applicazioni di consegna di droga. Più parametri nella sintesi di polimerizzazione e nanosponge influenzano la dimensione e crosslink densità della particella risultante. Tre parametri importanti sono stati identificati nella nostra analisi: peso molecolare del polimero, epossido ciondolo funzionalità e crosslinker equivalenti. Al fine di produrre una gamma di pesi molecolari e le funzionalità di epossido per la sintesi di nanosponge, la stechiometria del VL -co -AVL copolimero dovrà essere alterata. La concentrazione del gruppo funzionale dell'allilico durante epossidazione del copolimero può essere utilizzato per epoxidize o una percentuale desiderata di allyls o tutti loro. Se viene utilizzato un eccesso di agente ossidante, può verificarsi la degradazione della catena polimerica; Tuttavia, questo può essere risolto riducendo la quantità di agente ossidante. Quando tutti i allyls sono epossidato, non ci sono nessun allyls a sospensione sulla superficie del nanosponge per ulteriore funzionalizzazione. È anche importante per la sintesi di nanosponge che la concentrazione di epossido nella sintesi di nanosponge soluzione è 0,0054 M.

La reazione di nanosponge è stata precedentemente valutata per determinare una concentrazione ottimale per nanosponge desiderata dimensioni gamme13. Questa concentrazione viene calcolata in base al valore di unità ripetitiva per la funzionalità di epossido nel polimero. L'unità ripetitiva è il peso del polimero per un'unità reattiva, che viene utilizzata per calcolare le moli di unità reattive in un polimero. Ad esempio, come illustrato di seguito, se contiene un polimero con un peso molecolare di 2.000 g/mol 10 reattiva unità monomeriche (RMU) cuscinetto funzionalità pendente, determinato mediante NMR quantitativa, l'unità reattiva del polimero è RMU 200 g/mol. Utilizzando questo valore, le talpe di unità reattiva possono essere calcolate dal peso polimero al fine di determinare equivalenti del reticolante per la sintesi di nanosponge.

Equation 1

Equation 2

Come tendenza generale, aumentando il peso molecolare del polimero e la funzionalità dell'epossido ha contribuito a una dimensione di maggiore nanosponge in modo indipendente. Una stretta polidispersità realizza una distribuzione delle dimensioni strette nanosponge (~ 10% deviazione standard) e migliora la riproducibilità della sintesi di nanosponge.

L'approccio presentato raggiunge una dispersità stretta polimero di uso di un catalizzatore triflato stagno14. Le equivalenze di reticolazione vengono calcolate in base l'ammina per equivalenti di epossido, e un aumento in crosslinker equivalenti è indicato per aumentare la dimensione di nanosponge. Tuttavia, utilizzando un eccesso di reticolante è importante dovuto l'obiettivo di consumare tutti gli epossidi disponibili. Restanti funzionalità di ammina sulla superficie nanosponge può essere utilizzato per ulteriore funzionalizzazione della superficie della particella.

Rispetto ai metodi tradizionali per la preparazione di nanoparticelle, i vantaggi di questo approccio sono più parametri da cui precisa dimensione e densità di controllo può essere raggiunto, la capacità di funzionalizzare ulteriormente la superficie della nanosponge e la solubilità nei prodotti organici per l'incapsulamento di farmaci idrofobici.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

LK è grato per un finanziamento tramite la National Science Foundation Graduate Research Fellowship programma (DGE-1445197) e il dipartimento di chimica Università di Vanderbilt. LK ed EH vorrei ringraziare i finanziamenti per lo strumento 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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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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