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Chemistry

Nanosponge pré-definido em tamanho e densidade de reticulação

doi: 10.3791/56073 Published: August 4, 2017

Summary

Este artigo descreve um processo para ajustar a densidade de tamanho e reticulação de covalentemente quitosana nanopartículas de poliéster linear contendo funcionalidade pendente. Ajustando os parâmetros de síntese (peso molecular de polímeros, incorporação de funcionalidades de pingente e crosslinker equivalentes), uma densidade de tamanho e reticulação de nanopartículas desejado pode ser alcançada para aplicações de entrega de drogas.

Abstract

Descreveremos um protocolo para a síntese de poliéster linear contendo pingente epóxido funcionalidade e sua incorporação de um nanosponge com dimensões controladas. Essa abordagem começa com a síntese de uma lactona funcionalizada, que é a chave para o functionalization pingente do polímero resultante. Valerolactona (VL) e alil-valerolactona (AVL) são então copolymerized usando anel de abertura polimerização. Modificação de pós-polimerização é usada para instalar um moiety epóxido em alguns ou todos os grupos de alilo pendente. Química do epóxi-amina é empregada para nanopartículas de formulário em uma solução diluída de polímero e pequena molécula diamina crosslinker baseado na densidade desejada nanosponge tamanho e reticulação. Nanosponge tamanhos podem ser caracterizados por transmissão (TEM) microscopia eletrônica de varredura de imagem para determinar a dimensão e a distribuição. Este método fornece um caminho pelo qual poliésteres altamente sintonizáveis podem criar nanopartículas ajustáveis, que podem ser usadas para o encapsulamento de drogas pequena molécula. Devido à natureza do backbone, estas partículas são hydrolytically e enzimaticamente degradáveis para uma liberação controlada de uma vasta gama de moléculas pequenas hidrofóbicas.

Introduction

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Precisamente, ajuste a densidade de tamanho e reticulação de nanopartículas com base na reticulação intermolecular é de grande importância para influenciar e orientar o perfil de liberação de drogas desses nanosistemas1. Projetando nanosponge pré-definido, ou seja, preparando partículas de densidades de rede diferentes, é dependente em cima a funcionalidade de pingente do polímero precursor e os equivalentes do crosslinker hidrofílico incorporada. Nesta abordagem, a concentração do precursor e agente reticulante no solvente é importante forma de nanopartículas de um tamanho discreto, em vez de um gel de volume. Utilizando a espectroscopia quantitativa da ressonância magnética nuclear (NMR) como uma técnica de caracterização permite a determinação precisa da funcionalidade incorporada pingente e peso molecular de polímeros. Uma vez que as nanopartículas são formadas, podem ser concentrados e solubilizados em produtos orgânicos, sem ter o caráter de um nanogel.

Trabalho recente na entrega da droga nanopartículas centrou-se na utilização de poli (lático-co-ácido glicólico) (PLGA) Self montado nanopartículas2,3,4,5,6. PLGA tem ligações éster degradável que torná-lo adequado para aplicações de entrega de drogas e é frequentemente combinada com poly(ethylene glycol) (PEG) devido a suas propriedades stealth7. No entanto, devido à natureza Self montada da formação de partículas PLGA, as partículas não podem ser solubilizadas em produtos orgânicos para functionalization ainda mais. Em contraste com nanopartículas PLGA, o método proposto fornece reticulação covalente formando uma nanopartícula com tamanhos definidos e morfologia, que são estáveis em produtos orgânicos e degradar em soluções aquosas1. As vantagens desta abordagem são a capacidade de ainda mais quimicamente funcionalizar a superfície do nanosponge8, e sua estabilidade em solventes orgânicos pode ser usada para o pós-carregamento das partículas com compostos farmacêuticos1,9. Com este método, encapsulamento de moléculas pequenas hidrofóbicas pode ser alcançado pela precipitação em meio aquoso. A hidrofobicidade da espinha dorsal do poliéster juntamente com o hidrofílico crosslinker curto dá estas partículas um caráter amorfo à temperatura corporal. Além disso, após o carregamento de drogas, a partícula pode formar suspensões bem em meios aquosos para ser facilmente injetado em vivo. É nosso objetivo neste trabalho para avaliar os parâmetros para a síntese destes nanosponges do poliéster e determinar aqueles que são de vital importância para o projeto e o controle do tamanho e morfologia.

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Representative Results

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Para avaliar a relação entre os parâmetros de síntese da nanosponge e seu tamanho resultante, a funcionalidade de concentração e pingente de cada precursor do polímero é importante. Na Figura 1, um esquema de successfulsynthetic de nanosponges é realizado sob condições de refluxo após incorporando ambos precursor polímero e diamina crosslinker em DCM para 12h. A concentração de epóxidos na solução é também fundamental para a formação de partículas discretas. Uma vez que nanosponges foram sintetizados, imagem latente TEM foi usada para determinar as dimensões precisas de um conjunto de partículas. Na Figura 2, uma coleção de várias experiências de nanosponge foi analisada com base na sua incorporação do funcionalidade peso molecular e pingente da precursor do polímero para determinar se uma relação entre os dois pode ter um efeito sobre o tamanho de nanosponge. Na Figura 2, uma tendência de aumentar o tamanho de partícula é vista como o peso molecular é aumentado para a incorporação de um 6% e 8% EVL com um agente reticulante diamina por epóxido (2 aminas por epóxido).

A Figura 3 mostra que aumento da percentagem de epóxido e crosslinker equivalentes teria um efeito semelhante, mantendo um peso molecular semelhante entre conjuntos de nanosponge. Novamente, uma tendência em aumentar o tamanho de nanosponge enquanto mudar estes parâmetros é visto. É importante compreender como a síntese de precursores de polímero pode desempenhar um papel vital no tamanho resultante de nanopartículas para ajustar precisamente nanosponges para várias aplicações. Também é importante manter um método reprodutível e confiável para a síntese de nanosponge que tem pequenos desvios entre o tamanho das partículas individuais, como mostrado pela Figura 4. Utilizando estes parâmetros, uma variedade de tamanhos e uma fórmula para a reprodução de forma confiável um nanosponge de um determinado tamanho pode ser desenvolvida para um determinado aplicativo ou desejado objetivo, provando que isto seja uma química nanosponge versátil e prático.

Figure 1
Figura 1: esquema de reação para a síntese de Nanosponge. Um copolímero de poliéster linear contendo pingente alilo e epóxido grupos funcionais é reagido com uma diamina crosslinker para formar discretas nanopartículas com dimensões de tamanho de aproximadamente 100 nm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: análise de Nanosponge pré-definido com base no Peso Molecular e pingente funcionalidade. Avaliando a mudança no tamanho nanosponge com base no peso molecular do polímero precursor, mantendo a funcionalidade pendente relativo a mesma, um aumento do tamanho de partícula que os aumentos de peso molecular pode ser mostrado para polímeros EVL tanto 6% e 8%. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: análise de Nanosponge pré-definido pelo pingente funcionalidade equivalências e Crosslinker. Mantendo o crosslinker constante equivalente, uma maior funcionalidade de pendente resultará em maior incorporação de agente reticulante. Nesta figura, quatro aminas por epóxido (dois diamina crosslinker equivalentes por epóxido) foram adicionadas ao polímero EVL de um 6% e 10%. Quanto mais agente reticulante é incorporada a nanosponge devido a epóxidos mais por polímero e maior agente reticulante equivalentes, aumenta o tamanho. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: imagem TEM de Nanosponges. Uma imagem TEM de nanopartículas covalentemente ligadas formado durante a síntese. Indicado o tamanho dos 79 nm ± 12. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

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Obtenção de tamanhos nanosponge reprodutível é vital em aplicações de entrega de drogas. Vários parâmetros na síntese de polimerização e nanosponge afetam o tamanho e o crosslink densidade da partícula resultante. Três parâmetros importantes foram identificados em nossa análise: peso molecular de polímeros, epóxido pingente funcionalidade e crosslinker equivalentes. A fim de produzir uma gama de pesos moleculares e epóxido funcionalidades para a síntese de nanosponge, a estequiometria do VL -co -AVL copolímero deve ser alterada. A concentração do grupo alil funcional durante epoxidação do copolímero pode ser usado para epoxidize, ou uma porcentagem desejada de allyls, ou todos eles. Se for usado um excesso do agente de oxidação, degradação da cadeia do polímero pode ocorrer; no entanto, isto pode ser remediado, reduzindo a quantidade de agente oxidante. Quando todos os allyls são epoxidado, há não allyls pingente na superfície do nanosponge para functionalization ainda mais. Também é importante para a síntese de nanosponge que a concentração de epóxido na síntese de nanosponge solução é 0,0054 M.

A reação de nanosponge tem sido previamente avaliada para determinar uma concentração ideal para nanosponge desejado tamanho varia de13. Esta concentração é calculada com base no valor de unidade de repetição para a funcionalidade de epóxido em polímero. A unidade de repetição é o peso do polímero por uma unidade reativa, que é usado para calcular os moles de unidades reativas em um polímero. Por exemplo, como mostrado abaixo, se um polímero com um peso molecular de 2.000 g/mol contém 10 reativa unidades monoméricas (RMU) tendo funcionalidade pingente, determinada por NMR quantitativo, a unidade reativa do polímero é 200 g/mol RMU. Usando esse valor, as toupeiras de unidades reativas podem ser calculadas pelo peso do polímero para determinar crosslinker equivalências para a síntese de nanosponge.

Equation 1

Equation 2

Como uma tendência geral, aumentar o peso molecular de polímero e a funcionalidade de epóxido contribuíram para um aumento de nanosponge tamanho independentemente. Uma estreita polidispersividade alcança uma distribuição de tamanho de estreitas nanosponge (~ 10% desvio-padrão) e melhora a reprodutibilidade da síntese de nanosponge.

A abordagem apresentada alcança um dispersity estreito polímero pelo uso de uma lata de catalisador trifluormetanosulfonato14. As equivalências de reticulação são calculadas com base na amina por equivalentes de epóxido, e um aumento em equivalentes de agente reticulante é mostrado para aumentar o tamanho de nanosponge. No entanto, usar um excesso de agente reticulante é importante devido a meta de consumir todos os epóxidos disponíveis. Permanecendo a funcionalidade de amina na superfície de nanosponge pode ser usado para mais functionalization da superfície da partícula.

Comparado aos métodos convencionais para a preparação de nanopartículas, as vantagens desta abordagem são os vários parâmetros por que precisa do tamanho e densidade de controle pode ser alcançado, a capacidade de funcionalizar ainda mais a superfície da nanosponge e a solubilidade nos produtos orgânicos para o encapsulamento de drogas hidrofóbicas.

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Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

LK é grato para o financiamento do National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (DGE-1445197) e departamento de química da Universidade Vanderbilt. LK e EH gostaria de agradecer o financiamento para o instrumento TEM de Osiris (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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Nanosponge pré-definido em tamanho e densidade de reticulação
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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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