Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Chemistry

Nanosponge перестройки в размер и плотность сшивки

doi: 10.3791/56073 Published: August 4, 2017

Summary

Эта статья описывает процесс настройки размера и сшивки плотность ковалентно высокоструктурированные наночастиц из линейной Полиэфиры, содержащие Кулон функциональность. На пошив параметры синтеза (молекулярная масса полимера, кулон функции включения и сшивателя эквиваленты), наночастиц желаемый размер и сшивки плотности может быть достигнуто для наркотиков доставки приложений.

Abstract

Мы описываем протокол для синтеза линейных Полиэфиры, содержащие Кулон эпоксид функциональность и их включения в nanosponge с контролируемой размерами. Этот подход начинается с Синтез функционализированных лактон, который является ключом к функционализации Кулон результирующая полимер. Валеролактон (VL) и хлористый аллил Валеролактон (AVL) затем Сополимеризованная с помощью кольцо открытие полимеризации. После полимеризации модификация затем используется для установки эпоксид остаток на некоторых или всех групп аллиловый кулон. Эпоксидно Амин химии используется форма наночастиц в разбавленный раствор полимера и малые молекулы диамин сшивателя, основанный на желаемый nanosponge размер и сшивки плотности. Nanosponge размеры могут характеризоваться передачи электронной микроскопии (ТЕА) imaging для определения измерения и распределения. Этот метод предоставляет путь, по которому весьма перестраиваемый полиэфиры можно создать перестраиваемый наночастиц, который может использоваться для инкапсуляции малые молекулы препарата. Из-за характера позвоночника эти частицы гидролитически и ферментативно разложению для контролируемого выпуска широкого спектра гидрофобные малых молекул.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Именно настройки размера и сшивки плотность наночастиц на основе межмолекулярные сшивки имеет большое значение для влияния и руководства наркотиков релиз профиль этих наносистем1. Проектирование nanosponge перестройки, т.е., подготовка частиц различных сетевых плотностей, зависит функциональность Кулон прекурсор полимера и эквиваленты гидрофильные сшивателя включены. В этом подходе концентрация прекурсоров и сшивателя в растворителе имеет важное значение для формы наночастиц дискретных размер, а не гель оптом. Спектроскопия количественных ядерного магнитного резонанса (ЯМР) как характеристика техника позволяет для точного определения включены Кулон функциональность и молекулярной массы полимера. После того, как образуются наночастиц, они могут сосредоточены и солюбилизирован в органические вещества, не имея характер nanogel.

Последние работы в наночастиц доставки лекарств была сосредоточена на использование поли (молочно-co-гликолевая кислота) (PLGA) самостоятельной сборки наночастиц2,3,4,5,6. PLGA имеет разложению Эстер связей, которые делают его пригодным для наркотиков доставки приложений и часто сочетается с poly(ethylene glycol) (PEG) из-за его хитрость свойства7. Однако благодаря собственн-собранные характер формирования PLGA частиц, частиц нельзя солюбилизирован в органические для дальнейшего функционализации. В отличие от PLGA наночастиц предложенный метод обеспечивает ковалентных сшивки, формировании наночастиц с определенными размерами и морфологии, которые являются стабильными в органические и деградируют в водных растворах1. Преимущества этого подхода являются возможность дальнейшего химически functionalize поверхности nanosponge8, и его стабильность в органических растворителях может использоваться для после загрузки частиц с фармацевтических соединений1,9. С помощью этого метода инкапсуляции гидрофобные малых молекул может быть достиган осадков в водной среде. Гидрофобность полиэстер позвоночника вместе с гидрофильной короткие сшивателя дает эти частицы аморфных характер при температуре тела. Кроме того после загрузки наркотиков, частицы могут образовывать тонкой суспензий в водной быть легко вводится в естественных условиях. Это наша цель в этой работе для оценки параметров для синтеза этих полиэстер nanosponges и определить те, которые имеют жизненно важное значение для разработки и управления размер и морфология.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Чтобы оценить связь между параметры синтеза nanosponge и полученный размер, концентрации и кулон функциональность каждого прекурсор полимера имеет важное значение. В Рисунок 1successfulsynthetic схема nanosponges осуществляется в условиях рефлюкса после включения как прекурсор полимера и диамин сшивателя в DCM для 12 h. Концентрация Эпоксиды в решении также имеет решающее значение для формирования дискретных частиц. После того, как были синтезированы nanosponges, изображений ТЕА был использован для определения точного измерения набора частиц. Рисунок 2совокупность различных экспериментов nanosponge был проанализирован на основе их полимера прекурсоров молекулярный вес и кулон функциональность включение для определения, если отношения между ними может иметь влияние на размер nanosponge. На рисунке 2тенденция увеличения размера частиц рассматривается как молекулярный вес увеличивается на 6% и 8% EVL включения с одной диамин сшивателя за эпоксидные (2 амины в эпоксид).

Рисунок 3 показывает, что увеличение эпоксид процент и сшивателя эквиваленты будет иметь аналогичный эффект при сохранении аналогичных молекулярный вес между наборами nanosponge. Опять же наблюдается тенденция увеличения размера nanosponge при изменении этих параметров. Важно понять, как синтез полимеров прекурсоров могут играть жизненно важную роль в результате наночастиц размер точно настроить nanosponges для различных приложений. Это также важно для поддержания воспроизводимость и надежный метод синтеза nanosponge, который имеет небольшие отклонения среди отдельных частиц, как показано на рисунке 4. Используя эти параметры, диапазон размеров и формулы для надежного воспроизведения nanosponge определенного размера могут быть разработаны для данного приложения или желаемой цели, доказав это, чтобы быть универсальным и практической nanosponge химии.

Figure 1
Рисунок 1: схема реакции синтеза Nanosponge. Линейный полиэстер сополимера, содержащий Кулон аллиловый и эпоксид функциональных групп реагирует с диамин сшивателя сформировать дискретных наночастиц с размеры приблизительно 100 Нм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2: анализ Nanosponge перестройки на основе молекулярного веса и функциональность кулон. Путем оценки изменения в nanosponge размера на основе низкомолекулярного полимера прекурсоров при сохранении функциональности относительной Кулон же, увеличение размера частиц как молекулярный вес увеличивает может отображаться для 6% и 8% EVL полимеров. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3: анализ Nanosponge перестройки сшивателя и кулон функциональность эквивалентность. Путем проведения сшивателя эквивалентные устойчивый, выше функциональность Кулон приведет к выше сшивателя инкорпорации. На этом рисунке четыре амины в эпоксид (два диамин сшивателя эквиваленты в эпоксид) были добавлены к 6% и 10% EVL полимера. Поскольку больше сшивателя включена в nanosponge из-за более Эпоксиды полимера и выше сшивателя эквиваленты, размер увеличивается. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4: образ ТЕА Nanosponges. Образ ТЕА ковалентно связанного наночастиц, сформированные во время синтеза. Указывается размер 79 Нм ± 12. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

В приложениях доставки наркотиков важно Получение воспроизводимых nanosponge размеров. Несколько параметров в полимеризации и nanosponge синтеза влияет на размер и crosslink плотность результирующего частицы. В нашем анализе были определены три важных параметров: молекулярная масса полимера, эпоксид Кулон функциональность и сшивателя эквиваленты. Чтобы производить широкий спектр молекулярным весом и эпоксид функционалом для синтеза nanosponge, стехиометрии ВЛ -co -AVL сополимера должны быть изменены. Концентрация аллиловый функциональной группы во время эпоксидирования сополимера может быть использован для epoxidize желаемый процент allyls или все из них. Если используется избытком окисляющих агентов, может произойти деградации полимерной цепи; Однако это может быть исправлено путем уменьшения количества окислителя. Когда все allyls эпоксидированное, есть без Кулон allyls на поверхности nanosponge для дальнейшего функционализации. Это также важно для синтеза nanosponge, что концентрация гептахлора в решение nanosponge синтез 0.0054 М.

Чтобы определить оптимальную концентрацию для желаемого nanosponge размер диапазоны13ранее проводилась nanosponge реакции. Эта концентрация рассчитывается на основе значения повторить устройство функциональность эпоксидного полимера. Повторить единицей является вес полимера одной реактивной единицу, которая используется для расчета родинки реактивной единиц в одном полимера. Например, как показано ниже, если полимера с молекулярной массой 2000 г/моль содержит 10 реактивных мономера единиц (РМУ) подшипник подвесной функциональность, определяется количественным ЯМР, реактивной единицей полимер является 200 г/моль RMU. Используя это значение, кроты реактивной единиц может быть рассчитана из полимерной массы с целью определения эквивалентных сшивателя для синтеза nanosponge.

Equation 1

Equation 2

Как общая тенденция увеличение молекулярной массы полимера и эпоксид функциональность способствовала увеличению nanosponge размер самостоятельно. Узкая полиизопрена достигает распределения размеров узкой nanosponge (~ 10% стандартное отклонение) и улучшает воспроизводимость nanosponge синтеза.

Представленный подход достигает узкие полимер дисперсности, использование олова трифлатов катализатора14. Сшивки эквиваленты рассчитываются на основе аминов в эпоксид эквиваленты, и показано увеличение сшивателя эквиваленты для увеличения размера nanosponge. Однако из-за целью потребления всех доступных Эпоксиды важно использовать избыток сшивателя. Оставшиеся Амин функциональность на поверхности nanosponge может использоваться для дальнейшего Функционализация поверхности частицы.

По сравнению с традиционными методами подготовки наночастиц, преимущества этого подхода являются несколько параметров, по которому точный размер и плотность контроля может быть достигнуто, возможность дальнейшего functionalize поверхности nanosponge и растворимость в органические для инкапсуляции гидрофобного препарата.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

LK благодарны за финансирование от национального научного фонда выпускников исследовательских стипендий программа (DGE-1445197) и Кафедра химии Университета Вандербильта. LK и EH хотели бы поблагодарить финансирование для инструмента Осириса ТЕА (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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. van der Ende, A. E., Sathiyakumar, V., Diaz, R., Hallahan, D. E., Harth, E. Linear release nanoparticle devices for advanced targeted cancer therapies with increased efficacy. Polym Chem. 1, (1), 93 (2010).
  2. Sharma, S., Parmar, A., Kori, S., Sandhir, R. PLGA-based nanoparticles: A new paradigm in biomedical applications. Trends Anal Chem. 80, 30-40 (2016).
  3. Cao, L. B., Zeng, S., Zhao, W. Highly Stable PEGylated Poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) Nanoparticles for the Effective Delivery of Docetaxel in Prostate Cancers. Nanoscale Res Lett. 11, (1), 305 (2016).
  4. Chelopo, M. P., Kalombo, L., Wesley-Smith, J., Grobler, A., Hayeshi, R. The fabrication and characterization of a PLGA nanoparticle-Pheroid® combined drug delivery system. J Mater Sci. 52, (6), 3133-3145 (2016).
  5. Guan, Q., et al. Preparation, in vitro and in vivo evaluation of mPEG-PLGA nanoparticles co-loaded with syringopicroside and hydroxytyrosol. J Mater Sci Mater Med. 27, (2), 24 (2016).
  6. Cannava, C., et al. Nanospheres based on PLGA/amphiphilic cyclodextrin assemblies as potential enhancers of Methylene Blue neuroprotective effect. RSC Adv. 6, 16720-16729 (2016).
  7. Locatelli, E., Franchini, M. C. Biodegradable PLGA-b-PEG polymeric nanoparticles: synthesis, properties, and nanomedical applications as drug delivery system. J Nanopart Res. 14, (12), (2012).
  8. van der Ende, A. E., Croce, T., Hamilton, S., Sathiyakumar, V., Harth, E. M. Tailored polyester nanoparticles: post-modification with dendritic transporter and targeting units via reductive amination and thiol-ene chemistry. Soft Matter. 5, (7), 1417 (2009).
  9. Lockhart, J. N., Stevens, D. M., Beezer, D. B., Kravitz, A., Harth, E. M. Dual drug delivery of tamoxifen and quercetin: Regulated metabolism for anticancer treatment with nanosponges. J Control Release. 220, (Pt. B), 751-757 (2015).
  10. Shriner, R. L., Hermann, C. K. F., Morrill, T. C., Curtin, D. Y., Fuson, R. C. The Systematic Identification of Organic Compounds. 8th ed, Wiley. (2004).
  11. Derome, A. E. Modern NMR Techniques for Chemistry Research. Pergamon Press. (1987).
  12. Williams, D. B., Barry Carter, C. Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science. 2nd ed, Springer. (2009).
  13. van der Ende, A. E., Kravitz, E. J., Harth, E. M. Approach to Formation of Multifunctional Polyester Particles in Controlled Nanoscopic Dimensions. J Am Chem. Soc. 130, (27), 8706-8713 (2008).
  14. Stevens, D. M., Watson, H. A., LeBlanc, M. A., Wang, R. Y., Chou, J., Bauer, W. S., Harth, E. M. Practical polymerization of functionalized lactones and carbonates with Sn(OTf)2 in metal catalysed ring- opening polymerization methods. Polym Chem. 4, 2470-2474 (2013).
Nanosponge перестройки в размер и плотность сшивки
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter