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Chemistry

Nanosponge afinabilidad de tamaño y densidad de entrecruzamiento

doi: 10.3791/56073 Published: August 4, 2017

Summary

Este artículo describe un proceso para ajustar la densidad tamaño y reticulación de covalente reticulado nanopartículas de poliésteres lineales que contienen funcionalidad colgante. Por adaptación de parámetros de síntesis (peso molecular de polímero, incorporación de funcionalidad colgante y crosslinker equivalentes), se logra una densidad de tamaño y reticulación deseado nanopartículas para solicitudes de entrega de medicamentos.

Abstract

Se describe un protocolo para la síntesis de poliésteres lineales que contienen funcionalidad epóxido de colgante y su incorporación a un nanosponge con dimensiones controladas. Este enfoque comienza con la síntesis de una lactona funcionalizada que es clave para la funcionalización del colgante del polímero resultante. Valerolactone (VL) y alílico-valerolactone (AVL) son copolymerized entonces mediante la polimerización de la anillo-abertura. Modificación después de la polimerización entonces se utiliza para instalar un grupo epóxido en algunos o todos los grupos alilo de colgante. Química de epoxy-amina se emplea en forma de nanopartículas en una solución diluida de polímeros y pequeñas moléculas diamina crosslinker basado en la densidad deseada de nanosponge tamaño y reticulación. Tamaños de Nanosponge se caracteriza por la transmisión imágenes de microscopía electrónica (TEM) para determinar la dimensión y distribución. Este método proporciona un camino por el cual poliéster altamente armonioso puede crear nanopartículas sintonizables, que pueden ser utilizadas para la encapsulación de fármacos de molécula pequeña. Debido a la naturaleza de la columna vertebral, estas partículas son hidrolítico y enzimáticamente degradables para una liberación controlada de una amplia gama de pequeñas moléculas hidrofóbicas.

Introduction

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Precisamente, ajuste la densidad tamaño y reticulación de nanopartículas basadas en la reticulación intermolecular es de gran importancia para influir y orientar el perfil de liberación de fármaco de estos nanosistemas1. Diseño afinabilidad de nanosponge, es decir, preparación de partículas de densidad de red diferente, es dependiente sobre la funcionalidad del colgante del polímero precursor y los equivalentes del crosslinker hidrofílico incorporado. En este enfoque, la concentración de los precursores y el crosslinker en el solvente es importante forma de nanopartículas de un tamaño discreto, en lugar de un gel a granel. Utilizando espectroscopia cuantitativa de resonancia magnética nuclear (RMN) como una técnica de caracterización permite la determinación precisa de funcionalidad incorporado colgante y peso molecular de polímero. Una vez que las nanopartículas se forman, pueden ser concentrados y solubilizados en materia orgánica sin tener el carácter de un nanogel.

Trabajo reciente en el suministro de medicamentos nanopartículas se ha centrado en el uso de poli (láctico-co-ácido glicólico) (PLGA) montado por nanopartículas2,3,4,5,6. EGLP tiene vínculos éster degradable que hacen conveniente para aplicaciones de suministro de drogas y se combina a menudo con poly(ethylene glycol) (PEG) debido a sus propiedades stealth7. Sin embargo, debido a la naturaleza uno mismo-montada de la formación de partículas PLGA, las partículas no solubilizadas en materia orgánica para otros funcionalización. En contraste con nanopartículas PLGA, el método propuesto proporciona reticulación covalente formando una nanopartícula con tamaños definidos y morfología, que son estables en materia orgánica y degradan en soluciones acuosas1. Ventajas de este enfoque son la capacidad más funcionalizar químicamente la superficie de la nanosponge8, y su estabilidad en solventes orgánicos puede ser utilizado para la posterior carga de las partículas con compuestos farmacéuticos1,9. Con este método, encapsulación de pequeñas moléculas hidrofóbicas se logra por precipitación en medios acuosos. La hidrofobicidad de la columna vertebral poliéster junto con el crosslinker corto hidrofílico le da a estas partículas un carácter amorfo a la temperatura corporal. Además, después del cargamento de droga, las partículas pueden formar suspensiones finas en medios acuosos para ser fácilmente inyectados en vivo. Es nuestro objetivo en este trabajo para evaluar los parámetros de la síntesis de estos nanosponges poliéster y determinarlos que son de vital importancia para el diseño y control de tamaño y morfología.

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Representative Results

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Para evaluar la relación entre los parámetros de síntesis de la nanosponge y su tamaño resultante, es importante la concentración y colgante de funcionalidad de cada precursor de polímero. En la figura 1, se lleva a cabo un esquema de successfulsynthetic de nanosponges bajo condiciones de reflujo tras incorporar ambos crosslinker de diamina y el polímero precursor en DCM de 12 h. La concentración de epóxidos en la solución también es fundamental a la formación de partículas discretas. Una vez que se sintetizaron nanosponges, proyección de imagen de TEM se utilizó para determinar las dimensiones exactas de un conjunto de partículas. En la figura 2, se analizó una colección de varios experimentos de nanosponge basado en polímero precursor peso molecular y colgante funcionalidad incorporación para determinar si una relación entre los dos podría tener un efecto en el tamaño de la nanosponge. En la figura 2, se ve una tendencia de aumento de tamaño de partícula como peso molecular se incrementa un 6% y 8% incorporación de Vet con una diamina crosslinker por epoxi (2 aminas por epoxi).

La figura 3 muestra que aumentar el porcentaje de epóxido y el crosslinker equivalentes tendría un efecto similar manteniendo un peso molecular similar entre nanosponge. Una vez más, se observa una tendencia en el aumento de tamaño de nanosponge al cambiar estos parámetros. Es importante entender cómo la síntesis de precursores de polímero puede desempeñar un papel vital en el tamaño de la nanopartícula resultante precisamente afinar nanosponges para diversas aplicaciones. También es importante mantener un método reproducible y confiable para la síntesis de nanosponge que tiene pequeñas desviaciones entre el tamaño de las partículas individuales, como se muestra en la figura 4. Utilizando estos parámetros, una gama de tamaños y una fórmula para reproducir con fiabilidad un nanosponge de un tamaño determinado puede desarrollar para una aplicación dada o deseada meta, demostrando esto es una nanosponge versátil y práctica de química.

Figure 1
Figura 1: esquema de reacción para la síntesis de Nanosponge. Un copolímero poliéster lineal con colgante de alilo y epóxido de grupos funcionales es reaccionado con un crosslinker diamina para formar nanopartículas discretas con dimensiones de tamaño de aproximadamente 100 nm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Análisis de Nanosponge afinabilidad basado en peso Molecular y funcionalidad colgante. Evaluando el cambio en el tamaño de la nanosponge basado en el peso molecular del polímero precursor manteniendo la funcionalidad de relativa pendiente, un aumento en el tamaño de las partículas como los aumentos de peso molecular puede ser demostrado para polímeros EVL 6% y 8%. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Análisis de Nanosponge afinabilidad Crosslinker y colgante funcionalidad equivalencias. Manteniendo el crosslinker constante equivalente, una mayor funcionalidad del colgante se traducirá en mayor incorporación del crosslinker. En esta figura, cuatro aminas por epoxi (dos diamina crosslinker equivalentes por epóxido) agregaron a un 6% y 10% polímero EVL. Como crosslinker más se incorpora en el nanosponge debido a más epóxidos por polímero y mayor crosslinker equivalentes, aumenta el tamaño. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: imagen TEM de Nanosponges. Una imagen TEM de nanopartículas enlazadas covalentemente formado durante la síntesis. Indica tamaño de 79 ± 12 nm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

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Obtener medidas reproducibles nanosponge es vital en aplicaciones de suministro de drogas. Varios parámetros en la síntesis de polimerización y nanosponge afectan el tamaño y reticulación de la densidad de la partícula resultante. Tres parámetros importantes fueron identificados en nuestro análisis: peso molecular de polímero, epóxido colgante funcionalidad y crosslinker equivalentes. Para producir una gama de pesos moleculares y funciones epóxido para síntesis de nanosponge, debe modificarse la estequiometría de la VL -co -AVL copolímero. La concentración del grupo el alílico funcionales durante la epoxidación del copolímero puede ser utilizado para epoxidize un porcentaje deseado de allyls o todos ellos. Si se utiliza un exceso de agente que oxida, puede ocurrir la degradación de la cadena del polímero; sin embargo, esto puede remediarse reduciendo la cantidad de agente oxidante. Cuando todos allyls son disolventes, no hay allyls colgante en la superficie de la nanosponge para funcionalización de más. También es importante para la síntesis de nanosponge que la concentración de epóxido en la síntesis de nanosponge solución es M 0,0054.

La reacción de nanosponge ha sido evaluada previamente para determinar una concentración óptima para nanosponge deseado tamaño gamas13. Esta concentración se calcula basándose en el valor de la unidad de repetición para la funcionalidad epóxido en el polímero. La unidad de repetición es el peso de polímero por una unidad reactiva, que se utiliza para calcular los moles de unidades de reactivos en un polímero. Por ejemplo, como se muestra a continuación, si un polímero con un peso molecular de 2.000 g/mol contiene 10 reactivos unidades monoméricas (RMU) con funcionalidad de colgante, determinado por RMN cuantitativa, la unidad reactiva del polímero es 200 g/mol RMU. Usando este valor, los moles de unidades reactivas pueden calcularse por el peso de polímero para determinar equivalencias crosslinker para síntesis de nanosponge.

Equation 1

Equation 2

Como tendencia general, aumentar el peso molecular de polímero y funcionalidad epóxido contribuyó a un tamaño mayor nanosponge independientemente. Una polidispersidad estrecho alcanza una distribución de tamaño estrecha nanosponge (~ 10% de desviación) y mejora la reproducibilidad de síntesis nanosponge.

El enfoque presentado alcanza un dispersity del polímero estrecho por el uso de un catalizador triflate lata14. Las equivalencias de reticulación se calculan basándose en la amina por equivalentes de epoxi, y se muestra un aumento de crosslinker equivalentes para aumentar el tamaño de nanosponge. Sin embargo, usando un exceso de crosslinker es importante debido a la meta de consumir todos los epóxidos disponibles. Restante la funcionalidad de Amina en la superficie de nanosponge puede utilizarse para más de funcionalización de la superficie de la partícula.

En comparación con los métodos convencionales para la preparación de nanopartículas, las ventajas de este enfoque son los parámetros múltiples de tamaño exacto y densidad se logra control, la capacidad de funcionalizar aún más la superficie de la nanosponge y la solubilidad de los compuestos orgánicos para la encapsulación de fármacos hidrófobos.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

LK es agradecido para la financiación del programa nacional de ciencia Fundación postgrado investigación beca (DGE-1445197) y Departamento de química de la Universidad de Vanderbilt. LK y EH quisiera agradecer la financiación para el instrumento 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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Nanosponge afinabilidad de tamaño y densidad de entrecruzamiento
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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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