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Chemistry

Nanosponge Tunability 크기와 가교 밀도

doi: 10.3791/56073 Published: August 4, 2017

Summary

이 문서는 펜 던 트 기능을 포함 하는 선형 폴 리 에스테에서 covalently 가교 된 나노 입자의 크기와 가교 밀도 조정 프로세스를 설명 합니다. 합성 매개 변수 (고분자 분자량, 펜 던 트 기능 통합, 및 crosslinker에 해당)을 조정 하면, 약물 전달 응용 프로그램에 대 한 원하는 나노 크기와 가교 밀도 얻을 수 있습니다.

Abstract

우리는 펜 던 트 에폭시 기능 및 제어 치수와 nanosponge에 그들의 설립을 포함 하는 선형 폴 리 에스테의 합성에 대 한 프로토콜을 설명 합니다. 이 방법은 결과 폴리머의 펜 던 트 기능화에 열쇠는 기능성된 lactone의 합성으로 시작 됩니다. Valerolactone (VL) 및 알릴-valerolactone (AVL)는 반지 개통 중 합을 사용 하 여 다음 copolymerized 있습니다. 후 중 합 수정 다음 펜 던 트 알릴 그룹의 일부 또는 전부에 에폭시 moiety를 설치 하는 데 사용 됩니다. 에폭시-아민 화학 형태 나노 입자를 고분자의 분자 diamine crosslinker 원하는 nanosponge 크기와 가교 밀도에 따라 묽 게 한 해결책에서 채택 된다. Nanosponge 크기는 전송 전자 현미경 (TEM) 이미징 차원 및 배포 결정에 의해 특징 수 있습니다. 이 메서드는 높게 가변 폴리에스터 가변 나노 입자, 작은 분자 약물 캡슐화에 사용 될 수 있는 만들 수 있는 통로 제공 합니다. 등뼈의 특성상,이 입자는 소수 작은 분자의 광범위의 제어 릴리스에 대 한 가수분해로 및 효소 분해.

Introduction

Intermolecular 가교에 따라 나노 입자의 크기와 가교 밀도 정확 하 게 튜닝 영향 및 이러한 nanosystems1의 약물 방출 프로 파일을 안내에 매우 중요입니다. 디자인 nanosponge tunability, , 다른 네트워크 밀도의 입자를 준비 하 고, 전조 폴리머의 펜 던 트 기능 및 통합 친수성 crosslinker의 등가물에 의존. 이 방법에서는, 선구자 및 용 매에 crosslinker의 농도 대량 젤 보다는 개별 크기의 나노 입자 형성에 중요 하다. 특성화 기법으로 양적 핵 자기 공명 분광학 (NMR)을 이용 하 여 법인된 펜 던 트 기능 및 고분자 분자량의 정확한 결정 수 있습니다. 나노 입자 형성 된다, 일단 그들은 집중 고는 nanogel의 문자 하지 않고 생명체에서 solubilized.

나노 약물 전달에서 최근 작품 폴 리의 사용에 집중 했다 (유산-co-글리콜 산) (PLGA) 자기 조립 나노2,,34,,56. PLGA 분해 에스테 르 결합 약물 전달 응용 프로그램에 적합 하 게 있으며 종종 그 스텔스 속성7인 poly(ethylene glycol) (PEG)와 결합. 그러나, PLGA 입자 형성의 자기 조립 특성, 입자는 더 기능화에 대 한 생명체에서 solubilized 수 없습니다. PLGA 나노 입자, 달리 제안된 된 방법 정의 된 크기와 형태, 생명체에 안정 하 고 저하 수성 솔루션1나노 입자를 형성 하는 화학식 가교를 제공 합니다. 이 방법의 장점은 추가 화학적 functionalize nanosponge8의 표면 수 그리고 유기 용 매에 있는 그것의 안정성 제약 화합물1,9입자의 포스트 로드에 사용할 수 있습니다. 이 방법으로 수성 매체에 강 수에 의해 소수 작은 분자의 캡슐화를 구현할 수 있습니다. 친수성 짧은 crosslinker 함께 폴 리 에스테 등뼈의 hydrophobicity는 체온에 비정 질 문자가이 입자를 제공합니다. 또한, 마약 로드, 후 입자 형성할 수 있다 좋은 정지 쉽게 주입된 비보수 수성 매체에서. 이러한 폴 리 에스테 르 nanosponges의 합성에 대 한 매개 변수를 평가 하 고 그 극히 중요 한 설계 및 제어의 크기와 형태를 결정 하는이 작품에서 우리의 목표 이다.

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Representative Results

결과 크기는 nanosponge의 합성 매개 변수 사이의 관계를 평가 하려면 각 중합체 선구자의 농도 및 펜 던 트 기능 중요 하다. 그림 1, nanosponges의 successfulsynthetic 계획 두 선구자 폴리머와 diamine crosslinker DCM에 12 h에 대 한 통합 후 환류 조건 하에서 밖으로 수행 됩니다. 솔루션에서 epoxides의 농도 또한 개별 입자 형성에 긴요 하다. Nanosponges 합성 했다, 일단 가장 이미징 입자의 집합의 정확한 크기를 결정 하기 위해 사용 되었다. 그림 2에서는 다양 한 nanosponge 실험의 모음 그들의 폴리머 전조 분자량 그리고 펜 던 트 기능 관 둘 사이의 관계는 nanosponge 크기에 영향을 수 있는 결정에 따라 분석 했다. 그림 2, 입자 크기를 증가의 추세는 분자량 에폭시 (에폭시 당 2 아민) 당 한 diamine crosslinker와 EVL 설립 6%와 8% 증가 보인다.

그림 3 증가 에폭시 비율 및 crosslinker에 해당 했을 비슷한 효과 nanosponge 세트 사이 비슷한 분자량을 유지 하면서 보여준다. 다시 말하지만, 이러한 매개 변수를 변경 하는 동안 nanosponge 크기를 증가 추세 볼 수 있다. 그것은 어떻게 폴리머 유도체의 합성 결과 나노 크기를 정확 하 게 다양 한 응용 프로그램에 대 한 nanosponges를 조정에 중요 한 역할을 할 수 이해 해야 합니다. 그것은 또한 그림 4에서 같이 개별 입자 크기 중 작은 편차를가지고 nanosponge 합성에 대 한 재현 가능 하 고 안정적인 방법을 유지 하는 것이 중요. 이러한 매개 변수를 이용 하 여 다양 한 크기와 특정 크기의 nanosponge를 안정적으로 복제에 대 한 수식이 특정된 응용 프로그램에 대 한 개발 될 수 있다 또는 목표,이 다재 다능 하 고 실용적인 nanosponge 화학을 증명 하는 것을 원하는.

Figure 1
그림 1: Nanosponge 합성에 대 한 반응 방식. 펜 던 트 알릴 및 에폭시 기능적인 그룹을 포함 하는 선형 폴 리 에스테 르 공중 합체 diamine crosslinker 약 100의 크기 크기와 개별 나노 입자를 형성 하기 위하여 함께 반응 nm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 2
그림 2: Nanosponge Tunability의 분석 분자량 그리고 펜 던 트 기능에 따라. 상대 펜 던 트 기능을 유지 하면서 전조 폴리머의 분자량에 따라 nanosponge 크기의 변화를 평가 하 여, 같은 분자량 증가 함에 따라 입자 크기에서 증가 수 표시 6%와 8 %EVL 폴리머. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 3
그림 3: Crosslinker와 펜 던 트 기능 동등 Nanosponge Tunability의 분석. crosslinker를 눌러 해당 꾸준히, 높은 펜 던 트 기능 높은 crosslinker 관에 발생 합니다. 이 그림에서 에폭시 (에폭시 당 두 diamine crosslinker 등가물) 당 4 개의 아민은 6%와 10 %EVL 폴리머에 추가 되었습니다. 더 많은 crosslinker는 폴리머와 높은 crosslinker 당 더 많은 epoxides 인해 nanosponge에 통합 되어, 크기 증가 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 4
그림 4: Nanosponges의 TEM 이미지. Covalently 연결 된 나노 입자의 TEM 이미지를 합성 하는 동안 형성. 79 ± 12 nm의 크기를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

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Discussion

재현할 수 nanosponge 크기를 얻는 것은 약물 전달 응용 프로그램에 매우 중요입니다. 여러 매개 변수 중 합 및 nanosponge 합성 결과 입자의 크기와 crosslink 밀도를 영향을 줍니다. 세 가지 중요 한 매개 변수 분석에서 확인 되었다: 분자량 폴리머, 에폭시 펜 던 트 기능, 및 crosslinker에 해당. 다양 한 분자 무게와 nanosponge 합성에 대 한 에폭시 기능을 일으키기 위하여는 VL-co-AVL 공중 합체의 산출할 변경 해야 합니다. Epoxidation는 공중 합체의 동안 알릴 기능 그룹의 농도 수 allyls의 원하는 비율 또는 그들 모두 epoxidize 하는 데 사용. 산화 에이전트의 과잉을 사용 하는 경우 폴리머 체인의 저하가 발생할 수 있습니다; 그러나,이 산화 제의 양을 줄여 해결 될 수 있습니다. 모든 allyls epoxidized 때, 더 기능화에 대 한 nanosponge의 표면에 아무 펜 던 트 allyls 있다. 그것은 또한 에폭시 솔루션 nanosponge 합성에서의 농도 0.0054 M nanosponge 합성에 중요 한입니다.

Nanosponge 반응 이전 원하는 nanosponge 크기 범위13에 대 한 최적의 농도 결정 하기 위해 평가 하고있다. 이 농도 폴리머에서 에폭시 기능에 대 한 반복 단위 값에 따라 계산 됩니다. 반복 단위는 단위당 한 반응, 한 고분자에 반응성 단위 두더지를 계산 하는 데 사용 되는 폴리머의 무게입니다. 예를 들어 아래와 같이, 2000 g/mol의 분자량을 가진 중합체 포함 10 반응 단위체 단위 (RMU) 펜 던 트 기능, 양적 NMR에 의해 결정 베어링 고분자의 반응 단위 경우 200 g/mol RMU. 이 값을 사용 하 여, 반응 단위 두더지 계산할 수 폴리머 무게에서 nanosponge 합성에 crosslinker 동등을 결정 하기 위하여.

Equation 1

Equation 2

일반적인 동향으로 고분자 분자량 및 에폭시 기능 증가 기여 하지 증가 nanosponge 크기를 독립적으로. Nanosponge 좁은 크기 분포를 실현 하는 좁은 증가할수록 (~ 10% 표준 편차) nanosponge 합성의 재현성을 향상 시킵니다.

제시 방법은14주석 triflate 촉매 사용에 의해 좁은 폴리머 dispersity를 달성 한다. 가교 동등 에폭시 등가물, 당 아민을 기준으로 계산 되 고 crosslinker 등가물의 증가 nanosponge 크기를 늘리기 위해 표시 됩니다. 그러나, crosslinker의 과잉을 사용 하 여 모든 사용 가능한 epoxides 소모의 목표 때문에 중요 하다. Nanosponge 표면에 아민 기능 남은 입자 표면의 기능화 추가 대 한 사용할 수 있습니다.

나노 준비에 대 한 기존의 방법에 비해,이 방법에 이점은 여러 매개 변수는 정확한 크기와 밀도 의해 제어 달성 될 수 있다, 더 nanosponge, 그리고 소수 성 약물 캡슐화에 대 한 유기 물에 있는 가용성의 표면 functionalize 수 있다.

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Disclosures

저자는 공개 없다.

Acknowledgments

LK는 국립 과학 재단 대학원 연구 친교 프로그램 (DGE-1445197)와 밴 더 빌 트 대학 화학 부서에서 자금에 대 한 감사. LK와 EH 오시리스 가장 악기 (NSF EPS 1004083)에 대 한 자금 지원을 감사 하 고 싶습니다.

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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