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Chemistry

サイズと架橋密度にナノスポンジ可変性

doi: 10.3791/56073 Published: August 4, 2017

Summary

ペンダント機能を含む線形のポリエステルから共有架橋ナノ粒子のサイズと架橋密度を調整するためのプロセスについて説明します。合成パラメーター (ポリマーの分子量、ペンダント機能定款および架橋剤) を調整することによって薬物送達アプリケーションの必要なナノ粒子のサイズと架橋密度を実現できます。

Abstract

ペンダント エポキシド機能と制御寸法ナノスポンジの混入を含む線形のポリエステルの合成のためのプロトコルについて述べる。このアプローチは、得られたポリマーのペンダント機能化へキーである機能性ラクトンの合成から始まります。バレロラクトン (VL) とアリル-バレロラクトン (AVL) は、開環重合に共が。ポストキュア変更、ペンダント アリル グループの一部またはすべてにエポキシ基をインストールする使用されます。希薄溶液中の高分子と低分子芳香族ジアミン架橋剤目的ナノスポンジ サイズと架橋密度に基づくフォーム ナノ粒子にエポキシ樹脂アミン化学を採用します。ナノスポンジ サイズは、寸法と分布を決定する透過電子顕微鏡 (TEM) イメージングによって特徴付けられます。このメソッドは、高度調整可能なポリエステルが可変性ナノ粒子、小分子薬のカプセル化のため使用することができますを作成することが経路を提供します。バックボーンの性質のため、これらの粒子は疎水性小分子の広い範囲の制御放出の加水分解や酵素によって分解。

Introduction

これらナノシステム1の薬物放出プロファイルをガイドに影響を与える非常に重要なは分子間架橋結合に基づくナノ粒子のサイズと架橋密度を正確にチューニングします。すなわち、設計ナノスポンジ無依存異なるネットワーク密度の粒子を準備、前駆体ポリマーのペンダント機能および組み込まれる親水性の架橋剤の同等物に頼っています。このアプローチで前駆体および架橋剤、溶媒中の濃度はバルク ゲルではなく、個々 のサイズの形ナノ粒子に重要です。定量核磁気共鳴分光法 (NMR) 評価技術を利用して法人ペンダント機能と高分子の分子量の正確な測定可能します。ナノ粒子を形成、一度集中し、ナノゲルの性格を持つことがなく有機物の可溶化できます。

ナノ粒子ドラッグデリバリーの最近の研究はポリの使用に焦点を当てて (乳酸-co-グリコール酸) (PLGA) 自己組織化ナノ粒子2,3,4,5,6。PLGA 薬物送達アプリケーションに適している分解性エステルの連携があり、しばしばそのステルス特性7のため poly(ethylene glycol) (PEG) と組み合わせています。ただし、さらに高機能化有機物で、PLGA 粒子形成の自己組織化の性質のため粒子を溶解できません。PLGA ナノ粒子とは対照的は、提案されたメソッドは、定義されたサイズと形態、オーガニックで不安定であり水溶液1が低下するナノ粒子を形成共有結合で架橋を提供します。このアプローチの利点は、さらに化学的にナノスポンジ8の表面を高機能化する能力と有機溶剤の安定性は医薬品化合物1,9で粒子の後読み込みを使用できます。この方法では、水溶液に沈殿物によって疎水性小分子のカプセル化を実現できます。一緒に親水性の短い架橋ポリエステルのバックボーンの疎水性はこれらの粒子に体温でアモルファス文字を与えます。さらに、薬物の読み込み後、粒子は容易に注射で体内に水溶液中における微細懸濁液を形成できます。これらのポリエステルの nanosponges の合成用パラメーターを評価し、デザイン、サイズおよび形態の調節に非常に重要であるものを決定するこの作業における私たちの目標です。

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Representative Results

ナノスポンジの合成パラメーターとその結果のサイズの関係を評価するには、各高分子前駆体の濃度とペンダントの機能は重要です。図 1で、12 h の DCM で両方前駆体高分子/ジアミン誘導体の架橋を組み込んだ後、その nanosponges の successfulsynthetic 方式が還流条件下で実施は。ソリューションのエポキシド濃度も離散的な粒子の形成に重要です。一度 nanosponges を合成した、TEM 画像は一連の粒子の正確な寸法を決定する使用されました。図 2、様々 なナノスポンジ実験のコレクションをポリマー前駆体分子量とペンダント機能定款ナノスポンジ サイズに及ぼす影響が両者の関係を決定するために基づいて行った。図 2分子量が増加するエポキシド (エポキシドあたり 2 アミン) あたり 1 つのジアミン誘導体架橋剤と EVL 定款の 6% と 8% 粒子径の増加傾向が見られます。

図 3は、架橋剤とエポキシ樹脂の割合の両方を増加同等がある同様の効果ナノスポンジ セット間類似分子の重量を維持しながら示します。また、これらのパラメーターを変化させながらナノスポンジ サイズの増加の傾向が見られています。ポリマー前駆体の合成で重要な役割をプレイで様々 な用途に nanosponges を正確に調整する得られたナノ粒子のサイズを制御する方法を理解することが重要です。また、図 4に示すように、個々 の粒子サイズの小さい偏差のあるナノスポンジ合成の再現性と信頼性の高い方法を維持することが重要です。これらのパラメーターを利用して、サイズおよび特定のサイズのナノスポンジを確実に再現するための数式の範囲は特定のアプリケーションを開発することができます。 または汎用性と実用的なナノスポンジ化学であることを証明するゴールを希望します。

Figure 1
図 1: ナノスポンジ合成反応スキーム。約 100 のサイズ寸法を持つ離散ナノ粒子を形成するジアミン誘導体架橋剤と反応し、ペンダントのアリルとエポキシドの機能グループを含む線形の共重合ポリエステル nm。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 2
図 2: 分子量とペンダント機能に基づくナノスポンジ可変特性の解析。相対ペンダント機能を維持しながら前駆体ポリマーの分子量に基づくナノスポンジ サイズの変化を評価することによって、同じ分子量が増加すると粒子サイズの増加示すことができる両方の 6% と 8% の EVL ポリマー。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 3
図 3: 架橋剤およびペンダント機能対応でナノスポンジ可変性の分析。架橋剤を保持することによって同等の安定した高いペンダント機能高架橋剤定款になります。この図で、エポキシド (2 ジアミン誘導体架橋剤同等エポキシドあたり) あたり 4 つのアミンが 6% および 10% の両方の EVL ポリマーに追加されました。多くの架橋剤、ポリマーと架橋剤対応する高いあたりより多くのエポキシドのためナノスポンジ組み込まれて、サイズが増加します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 4
図 4: Nanosponges の TEM 像。合成中に形成された共有リンクのナノ粒子の TEM 画像。79 ± 12 nm のサイズを表示します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

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Discussion

再現可能なナノスポンジ サイズを取得は、薬物送達アプリケーションに不可欠です。重合とナノスポンジ合成における複数パラメーターは、結果として得られる粒子のサイズと架橋密度を影響します。3 つの重要なパラメーターは、我々 の分析で識別された: 架橋剤及びエポキシ樹脂ペンダント機能高分子の分子量。分子量とエポキシド ナノスポンジ合成機能の範囲を生成するために、VL-co -AVL 共重合体の化学量論を変更する必要があります。アリル機能グループの共重合体のエポキシ化反応中の濃度は、allyls のパーセンテージまたはそれらのすべてのいずれか epoxidize するために使用します。高分子鎖の分解が発生する酸化剤の過剰を使用する場合しかし、これは、酸化剤の量を減らすことによって解決できます。すべて allyls はエポキシ化、さらに高機能化ナノスポンジの表面にはペンダント allyls がないです。また、ソリューション ナノスポンジ合成でエポキシド濃度は 0.0054 M ナノスポンジ合成にとって重要です。

ナノスポンジ反応は、以前必要なナノスポンジ サイズ範囲13の最適濃度を決定するために評価されています。この濃度は、ポリマーのエポキシド機能の繰り返し単位の値に基づいて計算されます。繰り返し単位高分子高分子の反応単位のモルの計算に使用 1 つの反応単位あたりの重量であります。たとえば、下図のように、2,000 g/mol の分子量のポリマーに反応 10 が含まれている場合モノマー ユニット (RMU) ベアリング ペンダント機能、定量 NMR によって決定されたポリマーの反応ユニットは 200 g/mol RMU。この値を使用して、反応性の単位のモル計算できます高分子重量からナノスポンジ合成用架橋剤の対応関係を決定するために。

Equation 1

Equation 2

一般的な傾向として高分子の分子量とエポキシドの機能の両方を増加に貢献してくださいいない増加ナノスポンジ サイズ独立しています。狭い分散実現狭いナノスポンジ サイズ分布 (~ 10% 標準偏差)、ナノスポンジ合成の再現性が向上します。

提示されたアプローチは、錫トリフラート触媒14の使用により狭い高分子カオリンを実現します。架橋の対応関係は、対応するエポキシドあたりアミンに基づいて計算され、ナノスポンジ サイズを大きく架橋剤同等物の増加を見せています。ただし、架橋剤の過剰を使用してすべての利用可能なエポキシドを消費の目的のため重要です。残りのナノスポンジ表面アミン機能は、さらに粒子表面の機能化に使用できます。

ナノ粒子調製のための従来の方法と比較して、このアプローチの利点は、正確なサイズと密度コントロールを達成することができます、複数のパラメーター、ナノスポンジと疎水性医薬品のカプセル化のため有機物の溶解性の表面をさらに匹敵する機能です。

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Disclosures

著者が明らかに何もありません。

Acknowledgments

LK は国立科学財団大学院研究フェローシップ ・ プログラム (DGE-1445197) とヴァンダービルト大学化学部門からの資金のために感謝しています。LK と EH オシリス TEM 装置 (NSF EPS 1004083) のための資金に感謝したいと思います。

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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