Koli olmadan Parçacıklar: Ortam Koşullarında fotoaynşmaya PEG Yıldız Polimerlerin Fırça-ilk Sentez

Chemistry

Your institution must subscribe to JoVE's Chemistry section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Poli (etilen glikol) (PEG) fırça-kollu yıldız polimerler, dar yığın dağılımı ve ayarlanabilir Ortaölçek boyutları ile (BASPs) Sonuç olarak ortaya çıkan kısımlarının transferi ve ardından PEG-norbornen makromonomerin halka açma polimerizasyon metatez (ROMP) üzerinden sentezlenir sert, foto-bölünebilir bis-norbornen çapraz bağlayıcı ve çeşitli miktarlarda içeren şişelere fırça başlatıcı.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Liu, J., Gao, A. X., Johnson, J. A. Particles without a Box: Brush-first Synthesis of Photodegradable PEG Star Polymers under Ambient Conditions. J. Vis. Exp. (80), e50874, doi:10.3791/50874 (2013).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Çeşitli şekillerde işlevselleştirilmiş nanopartiküllerin hızlı ve paralel sentez için uygun metotları ilaç salınımı, biyolojik görüntüleme ve desteklenen kataliz için yeni formülasyonlar keşif sağlayacaktır. Bu yazıda, "fırça-ilk" yöntemi ile fırça-kollu yıldız polimer (BASP) nanopartiküller paralel sentezini göstermektedir. Bu yöntemde, bir norbornen-sonlanan bir poli (etilen glikol) (PEG) makromonomer (PEG-MM) ilk olarak bir oturma fırça makroinisiyatör oluşturmak için bir halka-açma polimerizasyon metatez (ROMP) ile polimerize edilir. Bu başlatıcı Stok solüsyonunun fraksiyonları foto degradasyona uğrayan bir bis-norbornen çapraz bağlayıcı ve çeşitli miktarlarda içeren şişelerine ilave edilir. Çapraz bağlayıcı maruz kalma sonuçta PEG oluşan çapraz bağlayıcı ve coronas oluşan çekirdek ile BASPs verir kinetik kontrollü fırça + fırça ve yıldız + yıldız bağlama reaksiyonlar bir dizi başlatır. Nihai BASP boyutu ilave çapraz bağlayıcı miktarına bağlıdır. Biz syn yürütmekhavayı ve nemi çıkarmak için özel önlemler ile benchtop üç BASPs tez. Numuneler, jel geçirgenlik kromatografisi (GPC) ile karakterize edilir; sonuçları atıl (torpido gözü) koşulları kullanılmıştır önceki raporu ile yakından anlaştılar. Anahtar pratik özellikleri, avantajları ve fırça birinci yöntemin potansiyel dezavantajları tartışılmıştır.

Introduction

Polimer nano partiküller yaygın olarak ilaç verilmesi için platformlar, desteklenen kataliz, biyolojik görüntüleme ve kendini montaj 1-3 olarak potansiyel kullanımı için incelenmiştir. Modern uygulamalar nanoparçacık sentezleri, uyduruk tekrarlanabilir, kimyasal işlevleri ile uyumlu, ve çeşitlendirme 4,5 mükellef olmasını gerektirir. Olefinlerin gergin halka-açma polimerizasyon metatez (ROMP) kontrol edilen boyut ve dar kütle dağılımları 1,6-8 fonksiyonel polimer Nano sentezi için güçlü bir yöntemdir. Örneğin, norbornen-işlevselleştirilmiş poli (etilen glikol) (PEG) makromonomerler (MMS) verimli bir şekilde suda çözünür bir şişe fırçası polimerleri oluşturmak için sıçrayıp ile polimerize edilebilir. Bu yaklaşımı kullanarak, çoklu ayrılabilir ilaç molekülleri, florofor ve spin-kontrast maddeleri taşıyan nano hızlı bir şekilde ve paralel 6, 9, 10 olarak hazırlanabilir.

ROMP da yıldız polimerler, "kol birinci" sentezi için kullanılmaktadır. Kolun birinci yöntemde, doğrusal polimerler, polimer kolları ile oluşturulan nano küre şeklinde vermek üzere bir çok fonksiyonlu çapraz bağlayıcı ile çapraz bağlanır. Schrock ve arkadaşları norbornen, dicarbomethoxynorbornadiene ve iki fonksiyonlu bir çapraz bağlayıcı ile norbornen trimetilsilil korumalı dicarboxynorbornene doğrusal polimerlerin çapraz bağlanması ile yıldız polimerlerin birinci kol birinci ROMP sentezini rapor etmiştir. 11, 12 Buchmeiser bir malzeme ile sentezi için bu yöntemi genişletmiştir Desteklenen kataliz, doku mühendisliği ve kromatografi 13-17 içeren uygulamalar aralığı. Otani ve arkadaşları bir ilgili "in-out" polimerizasyon stratejisi 18, 19 üzerinden fonksiyonel yüzeyler ile yıldız polimer nanopartıkuller yaptık.

Çoğu kol-ilk polimerleşmeleri monomer, polimer, ve yıldız birleştirme reaksiyonların, bir kompleks etkileşimi içerir. Thtipik haliyle, geniş molekül ağırlığı (MW) dağılımları yol açan bir adım büyüme mekanizması ile ikinci e ilerler. İlgili kol-ilk atom transfer radikal polimerizasyon reaksiyonları bu sınırlamayı aşmak için, Matyjaszewski ve arkadaşları çok dar MW dağılımları 20 ile yıldız polimerler sağlamak için önceden oluşturulmuş polimer MMS kol-ilk çapraz bağlanmasını gerçekleştirilir. Bu durumda, MMS sterik toplu ve siteleri başlanması yıldız silah artış oranı, kötü kontrollü yıldız + yıldız bağlama süreçleri inhibe, ve bir yaşam, zincir büyüme mekanizması açtı.

Biz Norbornen sonlandırılmış PEG-MM ve bis-norbomen çapraz bağlayıcı ile boğuşma bağlamında aynı stratejiyi denediğimizde, çok geniş, çok-modlu MW dağıtımları ile yıldız polimerler elde edilmiştir. Bu sonuç, bu sistemde yalnız MM yıldız + yıldız bağlanmasını engellemek için yeterince büyük olmadığını ileri sürdü. Yıldız kolların sterik kısmını artırmak, ve potansiyel olarak bu uncontro sınırlamak içinkaplin lled, ilk çapraz bağlayıcının yokluğunda şişe fırçalar polimerleri meydana getirmek üzere polimerize MM ve daha sonra çapraz bağlayıcı ekleme girişiminde bulunuldu. Belirli koşullar altında, bu "fırça-ilk" yöntemi dar MW dağıtımları ve ayarlanabilir çekirdek ve korona işlevleri ile "fırça-kollu yıldız polimerler" (BASPs) için basit erişim sağlanan bulmak için memnun.

Biz son zamanlarda Grubblar 3. jenerasyon katalizör A (Şekil 1) 21 kullanılarak PEG BASPs fırça birinci ROMP sentezini bildirdi. Bu çalışmada, katalizör A PEG-MM B maruz tanımlanan omurga uzunluğuna sahip bir oturma fırça makrobaşlatıcımız (B1, Şekil 1) oluşturulur. C çapraz bağlayıcı farklı miktarlarını içeren şişeler için B 1 alikolar transferi BASP başlatılanoluşumu. MW ve BASPs nedenle büyüklüğü, C miktarı ile geometrik olarak artmıştır. Biz, bu geometrik büyüme işlemi için mekanik bir hipotez sağlanan ve fonksiyonel nitroksit çekirdek ve korona-etiketli BASPs kolayca polimerizasyon sonrası modifikasyon adımları veya ardışık olarak monomer ekleme için gerek kalmadan elde edilebilir olduğunu göstermiştir. Ancak, rapor edilen örnekler olarak, Katalizör deaktivasyonunun hakkında endişe, bir eldiven kutusu içinde, N2 atmosferi altında, tüm reaksiyonlar gerçekleştirilir.

Bizim ilk rapor bu yana, fırça ilk yöntem norbornen-sonlu MMS ve fonksiyonel çapraz bağlayıcı bir geniş BASPs oluşumu için çok etkili olduğunu bulduk. Ayrıca yöntem, hava ya da nemi çıkarmak için özel bir tedbir ile masa üstü gerçekleştirilebilir keşfetmişlerdir.

Burada, farklı MW üç BASPs bir dizi sy edilecektirortam koşulları altında fırçalı birinci yöntemi ile nthesized. Kısaca, B 10 eşdeğer, 10 ortalama polimerizasyon derecesi (DP) ile bir BI elde etmek üzere 15 dakika boyunca katalizör A (Şekil 1a) 1.0 eşdeğer maruz olacaktır. BI bu toplu üç bölümleri 10, 15 içeren ayrı şişelere aktarılır ve 20 eşdeğer (N, Şekil 1b) C olacaktır. 4 saat sonra, polimerizasyon, etil vinil eter ilave edilerek söndürüldü olacaktır. Yıldız polimer MW ve MW dağılımları bir çok açılı lazer ışığı saçılma detektörü (GPC-MALLS) ile donatılmış bir jel geçirgenlik kromatografisi alet kullanılarak karakterize edilecektir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

İlk 3 kDa O-(2-aminoetil) polietilen glikol (PEG-NH2) ve norbornen-N-hidroksisüksinimidil (NHS) ester PEG-MM B'nin sentezi ve saflaştırılmasını tanımlarlar. İlk bileşik Sigma Aldrich Inc satın alabilir ya da literatür prosedürlerine göre 22,23, anyonik polimerizasyon ile hazırlanabilir. Bu bileşik, yayınlanmış bir prosedüre uygun olarak 21 iki aşamada hazırlanabilir. Daha sonra ticari olarak temin edilebilir Grubbs 2. nesil katalizör katalizör A bir sentezini tarif eder. Daha sonra fırça birinci BASP sentezi için, bu kompleksin kullanımını göstermektedir. Bu deney = 10 DP ile BI = 10 N, 15, ve 20 ile BASPs yapma yordamı ayrıntıları. Bütün reaksiyonlar, standart sintilasyon şişeleri kullanılarak bir çeker ocak içinde yapıldı.

DİKKAT: Her zaman eldiven, bir laboratuvar önlüğü, ve laboratuvar aşınmaTehlikeli kimyasallar ile çalışırken gözlük ve ortak laboratuvar güvenlik uygulamalarını takip edin. Her hangi bir organik çözücü, bir çeker ocak içinde ele alınması gerekir. Katılar davlumbaz dışında bir denge üzerinde tartılır olabilir. Kimyasalları deri, göz, ağız veya temas etmemelidir. Bu güçlü başlamadan önce bu prosedür her çözücü ve katı kullanılan için MSDS okunması tavsiye edilir.

1.. PEG-MM B hazırlanması

  1. Bir karıştırma çubuğu ile donatılmış bir 40 mL sintilasyon şişesine PEG-NH2 (300 mg, 0.0001 mol, 1.0 eşdeğer) ilave edin.
  2. Susuz N, N-dimetilformamid (DMF) ve PEG-NH2 3 ml çözülür.
  3. Norbornen-NHS ester (0.000105 mol, 1.05 eşdeğer) 21 36 mg ekleyin.
  4. Kapatılır ve gece boyunca oda sıcaklığında reaksiyon karışımı karıştırılmıştır.
  5. Karıştırma çubuğu çıkarın ve PEG-MM B çökeltmek için Reaksiyon solüsyonuna dietil eter ilave edilir.
  6. Beyaz grip Filtresiffy çökeltmek ve dietil eter ile iyice yıkanır. Seçenek olarak ise, bir 50 m bir santrifüj tüpü, bir santrifüj, oda sıcaklığında 5 dakika boyunca 4000 rpm'de için süspansiyon transferi ve daha sonra süpernatant süzün. Tekrar taze dietil eter, santrifüj, ve süzün ekleyin. Biz 5x toplam bu prosedür 3x tekrar öneririz.
  7. Kalıntı dietil eter çıkarmak için 24 saat boyunca vakum altında çökelti kurutun.

2. PEG-MM saflaştırılması

Daha önceki çalışmada, PEG-MM B ticari olarak temin PEG-NH2 den hazırlandı ve (adım 1.7 sonra örneğin,) kurutulduktan sonra daha fazla arıtılmadan BASP sentezi için kullanıldı. Bu çalışmada, (ev yapımı karşı ticari) PEG-NH2 kaynağı değişir ve daha titiz bir preparatif yüksek performanslı sıvı kromatografisi (prep-HPLC) MM arıtma öncesi ve sonrası BASP oluşumu karşılaştırılması. Bu çalışmada, dr geri kalanındaaşama 1.7 sonra elde ied MM olarak B1 adlandırılır. Prep-HPLC B2 vermek üzere B1 saflaştırmak için kullanıldı. , Anyonik polimerizasyon ile laboratuvarda sentezlenmiş benzer bir prep-HPLC ile saflaştırılmış MM B3 olarak adlandırılır. Prep-HPLC, 1 ml numune halkası ve oda sıcaklığında bir Agilent Zorbax 300SB-C18 PrepHT ters-faz sütunu ile bir Beckmann Coulter HPLC (127P solvent modülü ve 166p detektör modülü) kullanılarak gerçekleştirilmiştir.

  1. Ayar HPLC çözücü ile: deiyonize su (Millipore arıtma sistemi, 18.2 Ω)% 1 asetik asit ile, çözücü B: asetonitril.
  2. Prime pompaları ve% 95 A ve% 5 B ile sütun dengeye
  3. Asetonitril veya PEG-MM MeOH (150 mg / ml) içinde çözülür.
  4. 13 mm 0.45 um Nylon bir şırınga filtreden geçirilmiştir filtre.
  5. Set HPLC yöntemi:
    - Akış hızı: 20 ml / dak
    - 0-1 dakika:% 10 B ve% 90 A doğrusal degrade
    - 1-10 dk: linea% 90 B ve% 10 A r degrade
    - 10-13 dk: başlangıç ​​koşulları (% 5 B ve% 95) geçiş ve tekrar dengelenir kolon
    - 256 nm'de absorbansı tespit etmek için ayarlayın UV detektör
  6. Numune döngü üzerine numune 0.8 ml yerleştirin.
  7. Örnek enjekte edilir.
  8. Ana emme zirve (belirtilen koşullar altında, ürün, 5-7 dakika arasında elute) toplayın.
  9. Gerektiği kadar tekrarlayın. Yuvarlak tabanlı bir şişe içinde bir araya saf fraksiyonlar birleştirilir.
  10. Döner buharlaştırma ile her çözücünün çıkarın.
  11. Diklorometan içinde ürün içinde yeniden çözülür ve sodyum sülfat ekleyin. Hafifçe sallamak veya ≅ 1 saat boyunca periyodik şişeyi karıştırın.
  12. Bir fritli cam filtre kullanılarak karışımın filtre.
  13. Döner buharlaştırma ile konsantre edin. Gece boyunca vakum altında kurutun.
  14. PEG-MM CD 2 1 H-NMR ile karakterize edilebilir Cl 2 (15-20 mg/0.7 mi CD 2 Cl 2, 500 MHz ya da daha fazla 128 tarar ve gevşeme gecikmesi ile önerilir, d1= Pozitif iyonizasyon modu ve 2 ile 2.0 saniye) ve MALDI-TOF - MALDI matris olarak (4-hidroksi) benzoik asit elde edilmiştir.
  15. PEG-MM, 4 ° C 'de, bir sintilasyon şişesine ay boyunca saklanabilir

3. Katalizör A'nın Hazırlanması

  1. 20 ml'lik bir şişe, bir karıştırma çubuğu ile donatılmış için Grubbs 2. nesil katalizörü (500 mg, 0.589 mmol) ilave edin.
  2. Şişeye piridin (yaklaşık 0.474 mi, 5.89 mmol, 10 eşdeğer) ilave edin. Çözelti renk hemen kırmızıdan yeşile gerekir. Kırmızı rengin tüm kayboldu ve çözelti (15-30 dakika) yapışkan hale gelene kadar reaksiyon karıştırılmaktadır.
  3. Kompleks bir çökelti soğuk pentan ile reaksiyon şişe doldurun.
  4. Yeşil çökelti (katalizör A) toplamak için süspansiyon filtre. Soğuk pentan 15 ml 4x yıkayın.
  5. Gece boyunca vakum altında yeşil katı kurutun.
  6. Karmaşık bir olabiliraktivitesinde belirgin bir kayıp olmaksızın bir tezgah üstü desikatör içinde oda sıcaklığında ay boyunca saklanabilir. Ekstra önlem için, biz genellikle bir torpido gözü içerisindeki bir -20 ° C derin dondurucuda saklayın kompleksi. A 4 mi sintilasyon şişelere hemen sonra (adım 3.5) kurutmadan sonra rahatlığı için, önceden bilinen bir ağırlığı kadardır. Biz o torpido gözü dondurucuda bu şişeleri saklayın. Ne zaman bir ROMP reaksiyonu çalıştırmak için hazır, biz sadece torpido gözünün dışında bir flakon almak ve (4.4 adım) aşağıda anlatıldığı gibi kullanın.

4. Oturma Fırça Polimer Hazır çözeltisi (BI) Hazırlanması DP = 10

  1. A 3 ise mi, bir karıştırma çubuğu ile teçhiz edilmiş bir gaz geçirmez bir vidalı kapak ile flakon MM B, 65 mg (0.020 mmol, 10 eq) tartılır. Bu miktar BASPs ve 3 farklı boyutlarda her biri için MM ile 20 mg ve BI GPC analizi için 5 mg artığı karşılık gelir. Şişenin dibine doğrudan MM eklemek için bir spatula kullanın. TrBu senaryo olarak şişenin yanlarına yapışan malzeme önlemek için y BASP son üründe MM kirlenmesine yol açabilir.
  2. THF içinde 158 ul MM B çözülür. Hemen solvent buharlaşma önlemek için THF ilave edildikten sonra şişe kapağı. Not: Polimerizasyon sırasında MM nihai konsantrasyonu 0.05 M THF içinde 158 ul burada eklenirse, daha sonra katalizör çözeltisi 243 ul, 4,4 aşama olmalıdır [MM karşılık gelen THF toplam 401 ul vermek üzere eklenecek ] = 0.05 M. Bu aşama sırasında çözücü miktarı sürece aşama 4,4 sırasında çözücünün miktarı da [mm] 0,05 vermek için değiştirilebilir olduğu gibi, çeşitli olabilir. Biz polimerleşmeleri <0.05 bazen dönüşüm tamamlamak için devam etmeyin [MM] ile yürütülen bulduk.
  3. MM tüm eritildi kadar çözelti karıştırın olsun. Gerekirse hafifçe ısıtın. Yanları üzerine viskoz çözeltisi veya flakon kapağı splattering kaçının.
  4. Daha sonra, bilinen bir miktarda (2.8 eklemek3 ml şişe (ya da önceden tartılmış katalizör A ile bir şişe elde etmek) için katalizör A Bu örnek için mg). 6 mg / ml Katalizör, bir çözelti vermek üzere, susuz THF (bu örnekte 466 ul) eklenir. Hemen şişeyi Cap. Katalizör tamamen çözünmesi için izin ver;. Gerekirse yavaşça şişeyi sallayın Bu katalizör çözüm boğuşma için derhal kullanılmalıdır. Not 1: katalizör çözeltisi bir orman yeşil renkte olmalıdır. Siyah, ya da yeşilimsi-kahverengi ise, o zaman muhtemelen çürümüş, ve muhtemelen tatmin edici ROMP sonuç vermeyecektir. Ayrışma oluşursa, (yukarıdaki bölüm 3'e göre) taze katalizörün hazırlanması için, veya taze damıtılmış THF kullanılarak göstermektedir. Not 2: THF miktarı A'ya ilave nihai [MM] ~ 0,05 olduğundan emin olmak için seçilir. Bu miktar sürece telafi ayarlamaları aşama 4.2 'de MM çözeltiye yapılır gibi, ayarlanabilir.
  5. B 1 eq, 243 ul (1.46 mg ekleme BI pisliğe yol açabilir, kenarları ve şişenin kapağının üzerine reaksiyon karışımının sıçramasına kaçının.
  6. Hemen kapatılır ve fırça makroinisiyatör (BI) oluşturmak için 15 dakika boyunca, reaksiyon karışımı, kaynamaya bırakılır.

5. BASPs oluşumu

  1. 3.6 ± 0.1 mg (aşama 5.2 'de aktarılacak BI miktarına 6.18 mmol, 10 eşdeğer), 5.5 ± 0.1 mg (9.28μmol, aşama 5.2' de aktarılacak BI miktarına 15 eşdeğer) ekleyin ve 7.3 ± 0.1 mg (12.4μmol, aşama 5.2 'de aktarılacak BI miktarına 20 eşdeğer) karıştırma çubukları ile donatılmış üç ayrı 3 ml lik cam şişelere çapraz bağlayıcı C. Şişenin yanlarına yapışan malzeme engellemek için şişenin alt üzerine doğrudan çapraz bağlayıcı ağırlığı deneyin. Not: Çapraz Bağlayıcı C THF içinde yüksek çözünürlüğe değildir. Bu nedenle, katı madde, bu aşamada direkt olarak kullanılır. Çapraz bağlayıcı madde çözünebilir olduğu durumda, o zaman çapraz bağlayıcı bir konsantre stok çözeltisi yapılmış olabilir ve bu çözümün çeşitli miktarlarda şişelerine aktarılabilir. Yine, nihai polimerizasyon konsantrasyonu> 0.05 M olmalıdır, çözücü çapraz bağlayıcı ilave edilir ise, daha sonra çözücü bir telafi edici bir azalma başka yapılmalıdır.
  2. C ihtiva eden üç şişelerin her biri için BI çözeltisi 123 ul (0.618 mmol) ilave edin. Flakon eklerken sadece katı çapraz bağlayıcı yukarıdaki iğne ucu tutmaya çalışın. Tek seferde yerine damla damla daha BI çözüm ekleyin.
  3. Şişeler ve Cap kadar oda sıcaklığında karışmaya reaksiyonlartamamlanması. BASP büyümesi üzerinde kayda değer bir etkisi vardır kadar 24 saat boyunca karıştırılmaya devam edilir, bu özel MM ve çapraz bağlayıcı madde kombinasyonu ile, reaksiyon, 4 saat içinde tamamlanır. BI tam dönüşümünü sağlamak için, GPC ile izleyin.
  4. Bir kalan BI çözeltisine, etil vinil eter ve bir damla N, her 10, 15 =, 20 BASP reaksiyon karışımları eklenerek reaksiyonlar söndürülür. Tam söndürme sağlamak için 10 dakika boyunca karıştırın.

6. GPC Numune Hazırlama

GPC-MALLS sonuçlar Shodex GPC KD-806M sütununda bir Wyatt Dawn Heleos-II MALLS dedektörü, ve oda sıcaklığında bir Wyatt Optilab T-Rex kırılma endeksi detektörü ile donatılmış bir Agilent 1260 LC sistemine ilişkin olarak elde edilmiştir. 1.0 ml'lik bir akış hızında 0.025 M LiBr ile DMF / dak, elüsyon için kullanılmıştır. Sonuçlar Wyatt tarafından sağlanan Astra 6 yazılımı kullanılarak analiz edildi.

  1. Her bir reaksiyon şişesine için yeni bir cam pipet kullanarak, Reaksiyon küçük bir örnek hazırlamak için, reaksiyon çözeltisi içine pipet daldırma. Yaklaşık 3 mg / ml 'lik bir nihai konsantrasyon vermek üzere, DMF içinde 0.025 M LiBr 250 ul pipet içine yıkayın.
  2. GPC şişenin içine örnek kaplanmasından önce, bir 0.45 um filtre içinden politetrafloroetilen seyreltilmiş örnek filtre.
  3. GPC-MERKEZLERİ çalışır set-up ve çalışmaları tamamlandıktan sonra analiz sonuçları.

Kısaltmalar listesi:

A: Grubbs 3. nesil bis-piridin katalizörü

B: poli (etilen glikol) (PEG) makromonomer (MM)

B1: PEG MM piyasadan temin edilebilir (Aldrich) PEG-NH2 mevcuttur ve HPLC saflaştırma işlemine tabi tutmaksızın kullanılan kullanılarak hazırlandı.

B2: PEG MM ticari olarak temin edilebilir (Aldrich) PEG-NH kullanılarak hazırlandı

B3: PEG MM kullanılarak hazırlandı yeni PEG-NH2 sentezlendi ve HPLC saflaştırma işleminden sonra kullanılır.

BASP: fırça-kollu yıldız polimer

BI: oturma fırça başlatıcı

C: fotoaynşmaya çapraz bağlayıcı

Ğ: molar kütle indeksi dispersitesi

DMF: N, N-dimetilformamid

DP: sayı ortalaması derece polimerizasyon

GPC: Jel geçirgenlik kromatografisi

Prep-HPLC: hazırlayıcı yüksek performanslı sıvı kromatografisi

MALLS: multi açı lazer ışık saçılımı

MM: makromonomer

MW: moleküler ağırlık

M w: ağırlık ortalama molar kitle

N: çapraz bağlayıcı eşdeğeri sayısı (A C oranı)

NHS: N-hidroksisüksinimidil

PEG: Polietilen glikol

PEG-MM: norbornen-PEG makromonomer (bileşik B olarak anılacaktır)

ROMP: halka açılma metatez polimerizasyon

THF: tetrahidrofuran

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Şekil 2, GPC B1, B2 ve B3 hazırlanan BASPs çeşitli izler gösterir. Tüm durumlarda, veriler çapraz bağlayıcı madde (N) 'nin eşdeğer artan BASP boyutunda bir artışa neden olduğunu göstermektedir. Bizim daha önceki raporunda gözlenmiştir gibi, çapraz bağlayıcı 10 eşdeğer düzgün BASPs elde edilmesi için yeterli değildir, N = 10 numune, özellikle rafine olmayan MM B1 durumunda kalan fırça polimer büyük bir miktarı ile, açık bir şekilde, çok-modlu bir GPC izini gösterir ( Şekil 2a). Çapraz bağlayıcı Büyükşehir miktarları çok az kalıntı fırça ve MM ile üniforma MW dağılımları sonuçlanır. 20 - ağırlık-ortalama mol kütlesi (Mw), yaklaşık N = 15 gidiş katına çıkar. B3, kalıntı MM ve en az% 1 olması durumunda kalıntı BI = 15 N kalır ve N 20 vaka =.

Şekil 1
Şekil 1. Fırça-Arm yıldız polimer (BASP) sentezi. Panel (a) 2. nesil katalizör Grubbs ticari olarak temin edilebilen Grubbs ikinci 3. nesil bispiridin katalizör (A) 'sentezini görüntülemektedir için şematik. Ayrıca, bu çalışmada kullanılan PEG-MM (B) ve çapraz bağlayıcı (C) gösterilen yapılardır. Panel (b) Fırça birinci işleminin şematik bir diyagramını göstermektedir. Katalizör (A) ile PEG-MM (B) arasında bir polimerizasyon BASP oluşumu ile sonuçlanan sonra da çapraz bağlayıcı madde (° C) ilave edilir, 10 birimlik bir oturma fırça başlatıcı (BI) üretir. ig1highres.jpg "target =" _blank "> büyük resmi görebilmek için buraya tıklayın.

Şekil 2,
Çeşitli PEG Mms hazırlanabilir = 10, N, 15 ve 20 BASPs Şekil 2. Örnek GPC ile sonuçlanır. Paneller (a), (b) ve (c) olarak, MMS, B1, B2 ve B3 için veri elde etmekte. Ticari PEG-NH2, reaksiyona girmemiş MM ve kalıntı BI safsızlıklar yıldız işareti ile etiketlenir. M w ve Dağılım indeksi (d) değerlerinin ek tablolarda verilmiştir. Çok dallı nanoyapılarda GPC ile elde edilen D değerleri dikkatle 24,25 düşünülmesi gerektiğini unutmayın. Monomodal, düzgün tepe gözlem parçacık yarıçaplarının dar bir dağılımını göstermektedir.tp_upload/50874/50874fig2highres.jpg "target =" _blank "> büyük resmi görebilmek için buraya tıklayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Fırça ilk BASP sentezinin önemli avantajı hızla özel ekipman ihtiyacı olmadan paralel olarak farklı boyut ve kompozisyon nanoyapıları sentezlemek için eşsiz yeteneğidir. Bu çalışmada, bir norbornen işlevselleştirilmiş PEG makromonomer (B, Şekil 1) ve bis-norbornen nitrobenzil ester çapraz bağlayıcı (Cı, Şekil 1) ile fırça birinci sentetik yöntemi göstermektedir. B PEG zincirleri nihai BASP yapısına suda çözünürlük vermek. Nitrobenzil tabanlı çapraz bağlayıcı, ışıkla bozunabilir olduğu.

Bu genel yöntem, diğer ekso-norbornen göre MMS ve çapraz bağlantı için modifiye edilebilir. Biz de çeşitli kombinasyonları BASPs hazırladık. Örneğin, farklı anti-kanser ilaçlar, Nitroksitler, ve manyetik rezonans görüntüleme kontrast maddeleri 27 taşımak norbornene-PEG-tabanlı MMS kullanmış. Ayrıca PEG başka polimerlerden oluşan MMS kullandık. Bizim tecrübelerimize göre, fırça ilk yöntem hemen hemen herhangi bir fonksiyonel zo-norbomen imid MM sona uygulanabilir. (Katalitik aktivitesi aksine) BI MM (>% 95) yüksek dönüşüm elde değildir durumda, bir yabancı madde AA, en olası suçlu. Bu raporda (prep-HPLC) belirtildiği gibi daha titiz arıtma genelde başarılı boğuşma açar. Biz katalizör A (örneğin ücretsiz aminler, olefinler, azidler, vb) ile etkileşime girdiği bilinmektedir korumasız fonksiyonel gruplar ayı MMS ile ROMP polimerizasyonların teşebbüs değil unutmayın. Bu gruplar, polimerizasyon sonrası modifikasyon 27 ile fırça birinci sentezden sonra dahil edilebilir. Örneğin, BASP oluşturulduktan sonra azid ile dönüştürüldü alkil halit MMS azid BASPs hazırladık. Bu azidler Cu-katalize azid siklo-alkin "tıklama ve kullanılmıştır# 34; reaksiyonlar.

Biz daha ayrıntılı MM saflık etkisini incelemek için çalıştı. Kalıntı, MM ve BI her zaman GPC gözlenmiştir küçük miktarlarda fırça ilk olan reaksiyonlar MM ticari olarak temin edilebilir PEG-NH2 (B1, Şekil 2a) hazırlanabilir kullanılarak gerçekleştirildi zaman izler. Biz tamamen saf MMs genellikle kantitatif MM dönüşüm vermek deneyimlerinden öğrendim. Ayrıca, kalıntı MM miktarı, ticari PEG-NH2, toplu sayısına bağlı olarak değişebilir fark vardı. Biz olmayan bir fonksiyonel PEG-NH 2 kirlilik, belki sadece PEG diol, görünen kalıntı MM safsızlık sorumlu olduğunu şüpheli. Bu nedenle, saf MM B2 vermek üzere B1 arındırmak için prep-HPLC kullanılan 2b bu saflaştırma işlemi, gerçekte daha kalıntı MM miktarını (turuncu yıldız) yaklaşık olarak iki-kat azaltmak ki göstermektedir;. Bu remo yoktutamamen ettik. İlginç bir şekilde, B2 ve BASPs için BI yüksek dönüşüm vermiştir, belki de, katalizör deaktivasyon yol açan bir yabancı madde prep-HPLC ile uzaklaştırılmıştır. Artık MM miktarı ile hala memnun, biz etanolamin'den etilen oksit (anyonik polimerizasyonu yoluyla PEG-NH 2 sentezi için literatür yöntemleri takip DİKKAT: Etilen oksit eğitimli, tecrübeli kimyagerler tarafından ele alınmalı, bunun bir derece yanıcı, patlayıcı olduğunu ve zehirli gaz!)., bu ev yapımı PEG-NH 2 (B3 hazırlanmıştır 22,23 MM) ticari mms göre daha iyi sonuçlar vermiştir. Karşılık gelen BASPs GPC analizi, tespit edilebilir bir kalıntı MM gösterdi ve çok az miktarda (<% 1) bakiye BI (Şekil 2c). Yüksek saflıkta BASPs gerekli eğer Böylece, biz saf mümkün MM kullanmanızı öneririz. MM ve kalıntı BI kolaylıkla uzaklaştırılabilir unutmayınfırça birinci sentezden sonra diyaliz yoluyla daha BASPs.

Ayrıca, C-başka çapraz bağlayıcı kullandık. Örneğin, bisnorbornene metal kompleksleri, polimerizasyon başlatıcıları, asit-bölünebilir bağlayıcı ve supramoleküler konaklardan BASPs hazırladık. Biz norbornenler arasında sert pullarla çapraz bağlayıcı en düzgün BASPs sağlamak için eğiliminde olduğunu bulmak, bu tür çapraz bağlayıcı norbornenleri tüketmek siklizasyonu reaksiyonlara geçmesi olasılığı daha düşüktür ancak BASP büyümesine katkı yoktur.

Ne olursa olsun MM ve çapraz bağlayıcı kombinasyonu, biz aşağıdaki genel uygulamalar fırça ilk başarısının en yüksek şans yol bulacaksınız. Birincisi, yeni sentezlenmiş monomerler ile fırça-ilk sentezini başlamadan önce, biz DP = 25 ve 50 ile daha uzun fırça polimerler yalnız ve muhtemelen DP = 10 fırça polimer yapmak öneririz. Bu testler başarılı olursa, mükemmel bir şans olduğunu fırça-ilkyöntem de başarılı olacaktır. İkinci olarak, birinci fırça polimerizasyonu için ideal konsantrasyonu, monomer kimyasal bileşim ve bileşenlerin yapısına bağlıdır. Biz BASP büyük bir parti yapmadan önce küçük ölçekli bir kaç konsantrasyonları test öneririz. Üçüncü olarak, polimerizasyon en iyi sonuçları verir gibi görünmektedir, diklorometan veya tetrahidrofuran içinde gerçekleştirilir, bu çözücüler içinde çözünür olan monomerler idealdir. Yukarıda ele alındığı gibi, bu çapraz bağlayıcı çözücüler içinde zayıf çözünürlüğe sahip olduğunda, bir katı madde olarak eklenmesi yerine, ilave bir çözücü madde önerilir. Sürece MM çözünür olduğu gibi, çapraz bağlama biz birkaç dakika içinde çözelti haline tamamen çapraz bağlayıcı getirdiği bulabilirsiniz. Polimerizasyon atıl koşullar gerektirmeyen da Dördüncü olarak, onun ömrünü geliştirmek için etkisiz bir atmosfer altında, katalizörün depolama önerilir. Önemli olarak, katalizör, çözelti içinde zamanla ayrışır, katalizör çözeltisi, Grubbs, üçüncü nesil ca taze hazırlanmalıdırtalyst her ROMP bir dizi reaksiyon gerçekleştirilir. Son olarak, düzgün BASPs için gerekli olan çapraz bağlayıcı miktarı, çapraz bağlama maddesi ve MM yapısı ile büyük ölçüde değişecektir. Şekil 2'de gösterildiği gibi, çapraz bağlayıcı C 10 eşdeğer BI tam dönüşüm sağlamak için yeterli değildir. Diğer durumlarda, bir çapraz bağlayıcı 1 eşdeğer bu ek bulmak ve hatta 40 eşdeğer kadar, iyi sonuçlar sağlar. Yeni bir çapraz bağlayıcı kullanılmak üzere zamanlarda, uygun miktarda çapraz bağlayıcı tespit için çeşitli N değerleri ile küçük ölçekli reaksiyonlar bir dizi çalışan önerilir.

Son bir not olarak, birçok alternatif yöntemler (çekirdek birinci, kol-ilk, vb) 25, 26 ve yıldız şeklinde polimerleri yapmak için var olduğunu fark önemlidir. Her bir yöntem, bu boyut sınırlarının, arıtma gereksinimleri ve işlevsel grup uyumluluğu gibi dezavantajları ve avantajları vardır. Biz, boğuşma geniş fonksiyonel grup tolerans iddianorbornen bazlı fonksiyonel monomerlerin sentezinin kolaylığı ve paralel olarak, hızlı bir masa üstü ROMP reaksiyonları gerçekleştirmek, ve oda sıcaklığında, çeşitli uygulamalar için göz fırça birinci ROMP yaklaşım değer oluşturma yeteneğidir. Gelecekte, bu yöntemi geliştirmeye devam edecek ve BASP ilaç ve gen teslimi, hücresel görüntüleme, ve öz-montaj dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için nanoarchitectures. Bu yeni parçacıklar ve sentezi için kombinatoryal kapasitelerinin tam potansiyeli, henüz araştırılması gereken gelmiştir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

Acknowledgements

Biz Kimya Bölümü MIT ve bu çalışmaları desteklemek için MIT Lincoln Labs Gelişmiş Kavramlar Komitesi teşekkür ederim.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Grubbs Second Generation Catalyst Materia (or Sigma Aldrich) C848 (Sigma Aldrich: 569747) Used as purchased from manufacturer.
*Provided as a generous gift.
Pyridine Sigma Aldrich 270970 Used as purchased from manufacturer
O-(2-aminoethyl)polyethylene glycol 3000 Sigma Aldrich 07969 Used as purchased from manufacturer
PEG-MM N/A N/A Synthesized following reported procedures (Ref. 21, protocol 1)
norbornene-N-hydroxysuccinimidyl (NHS) ester N/A N/A Synthesized following reported procedures (Ref. 21)
Bis-norb-NBOC Crosslinker N/A N/A Synthesized following reported procedures (Ref. 21)
Pentane Sigma Aldrich 158941 Used as purchased from manufacturer
Tetrahydrofuran (HPLC grade) Sigma Aldrich 34865 Dried and purified over a solvent purification columns
Dichloromethane VWR BDH1113-4LG Used as purchased from manufacturer
Acetonitrile (HPLC grade) Sigma Aldrich 34998 Used as purchased from manufacturer
Acetic Acid Sigma Aldrich A6283 Used as purchased from manufacturer
Sodium sulfate Sigma Aldrich 239313 Used as purchased from manufacturer
Diethyl ether Sigma Aldrich 673811 Used as purchased from manufacturer
Dimethylformamide (HPLC grade) Sigma Aldrich 270547 Used as purchased from manufacturer
Lithium Bromide Sigma Aldrich 213225 Used as purchased from manufacturer
MillQ Biocel A10 Millipore
Beckmann Coulter HPLC (127p solvent module, 166p detector) Beckmann Coulter
Zorbax 300SB-C18 PrepHT reverse phase column Agilent
1260 Infinity Liquid Chromatography Agilent
GPC KD-806M column Shodex
Dawn Heleos II Light Scatterer Wyatt
Optilab T-rEX Refractive Index Detector Wyatt
Glass Scintillation Vials - 40 ml Chemglass CG-4909-05
Glass Scintillation Vials - 4 ml Chemglass CG-4904-06
Glass Scintillation Vials (PTFE-lined cap) - 2 ml Agilent 5183-4518
Stir-bars VWR 5894x various sizes
13 mm 0.45 µm Nylon Syringe filter PerkinElmer 02542903
13 mm 0.45 µm polytetrafluoroethylene syringe filter PerkinElmer 02542909
1 ml disposable syringes VWR 53548-001
Swing bucket centrifuge or similar Should be able to reach approximately 4,000 rpm
Round bottom flask
Fritted glass filter assembly
Rotary Evaporator
Balance

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Bielawski, C. W., Grubbs, R. H. Living ring-opening metathesis polymerization. Prog. Polym. Sci. 32, 1-29 (2007).
  2. Hawker, C. J. The Convergence of Synthetic Organic and Polymer Chemistries. Science. 309, 1200-1205 (2005).
  3. Peer, D., Karp, J. M., Hong, S., Farokhzad, O. C., Margalit, R., Langer, R. Nanocarriers as an emerging platform for cancer therapy. Nat. Nano. 2, 751-760 (2007).
  4. Whitesides, G. M. Nanoscience, Nanotechnology, and Chemistry. Small. 1, 172-179 (2005).
  5. Leitgeb, A., Wappel, J., Slugovc, C. The ROMP toolbox upgraded. Polymer. 51, 2927-2946 (2010).
  6. Johnson, J. A., Lu, Y. Y., Burts, A. O., Lim, Y. -H., Finn, M. G., Koberstein, J. T., Turro, N. J., Tirrell, D. A., Grubbs, R. H. Core-Clickable PEG-Branch-Azide Bivalent-Bottle-Brush Polymers by ROMP: Grafting-Through and Clicking-To. J. Am. Chem. Soc. 133, 559-566 (2010).
  7. Bielawski, C. W., Grubbs, R. H. Highly Efficient Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP) Using New Ruthenium Catalysts Containing N-Heterocyclic Carbene Ligands. Angew. Chem. Int. Ed. 39, 2903-2906 (2000).
  8. Love, J. A., Morgan, J. P., Trnka, T. M., Grubbs, R. H. A Practical and Highly Active Ruthenium-Based Catalyst that Effects the Cross Metathesis of Acrylonitrile. Angew. Chem. Int. Ed. 41, 4035-4037 (2002).
  9. Lu, J. A., Johnson, Y. Y., Burts, A. O., Xia, Y., Durrell, A. C., Tirrell, D. A., Grubbs, R. H. Drug-Loaded, Bivalent-Bottle-Brush Polymers by Graft-through ROMP. Macromolecules. 43, 10326-10335 (2010).
  10. Burts, A. O., Li, Y. J., Zhukhovitskiy, A. V., Patel, P. R., Grubbs, R. H., Ottaviani, M. F., Turro, N. J., Johnson, J. A. Using EPR To Compare PEG-branch-nitroxide "Bivalent-Brush Polymers" and Traditional PEG Bottle-Brush Polymers: Branching Makes a Difference. Macromolecules. 45, 8310-8318 (2012).
  11. Bazan, G. C., Schrock, R. R. Synthesis of star block copolymers by controlled ring-opening metathesis polymerization. Macromolecules. 24, 817-823 (1991).
  12. Saunders, R. S., Cohen, R. E., Wong, S. J., Schrock, R. R. Synthesis of amphiphilic star block copolymers using ring-opening metathesis polymerization. Macromolecules. 25, 2055-2057 (1992).
  13. Buchmeiser, M. R., Wurst, K. Access to Well-Defined Heterogeneous Catalytic Systems via Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP): Applications in Palladium(II)-Mediated Coupling Reactions. J. Am. Chem. Soc. 121, 11101-11107 (1999).
  14. Weichelt, F., Frerich, B., Lenz, S., Tiede, S., Buchmeiser, M. R. Ring-Opening Metathesis Polymerization-Based Synthesis of CaCO3 Nanoparticle-Reinforced Polymeric Monoliths for Tissue Engineering. Macromol. Rapid Comm. 31, 1540-1545 (2010).
  15. Weichelt, F., Lenz, S., Tiede, S., Reinhardt, I., Frerich, B., Buchmeiser, M. R. ROMP-Derived cyclooctene-based monolithic polymeric materials reinforced with inorganic nanoparticles for applications in tissue engineering. Beilstein J. Org. Chem. 6, 1199-1205 (2010).
  16. Mayr, M., Mayr, B., Buchmeiser, M. R. Monolithic Materials: New High-Performance Supports for Permanently Immobilized Metathesis Catalysts. Angew. Chem. Int. Ed. 40, 3839-3842 (2001).
  17. Mayr, B. H., ölzl, G., Eder, K., Buchmeiser, M. R., Huber, C. G. Hydrophobic, Pellicular, Monolithic Capillary Columns Based on Cross-Linked Polynorbornene for Biopolymer Separations. Anal. Chem. 74, 6080-6087 (2002).
  18. Otani, H., Fujita, S., Watanabe, Y., Fujiki, M., Nomura, K. A Facile, Controlled Synthesis of Soluble Star Polymers Containing a Sugar Residue by Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP). Macromol. Symp. 293, 53-57 (2010).
  19. Nomura, K., Watanabe, Y., Fujita, S., Fujiki, M., Otani, H. Facile Controlled Synthesis of Soluble Star Shape Polymers by Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP). Macromolecules. 42, 899-901 (2009).
  20. Gao, H., Ohno, S., Matyjaszewski, K. Low Polydispersity Star Polymers via Cross-Linking Macromonomers by ATRP. J. Am. Chem. Soc. 128, 15111-15113 (2006).
  21. Liu, J., Burts, A. O., Li, Y., Zhukhovitskiy, A. V., Ottaviani, M. F., Turro, N. J., Johnson, J. A. "Brush-First" Method for the Parallel Synthesis of Photocleavable, Nitroxide-Labeled Poly(ethylene glycol) Star Polymers. J. Am. Chem. Soc. 134, 16337-16344 (2012).
  22. Studer, P., Larras, V., Riess, G. Amino end-functionalized poly(ethylene oxide)-block-poly(methylidene malonate 2.1.2) block copolymers: synthesis, characterization, and chemical modification for targeting purposes. Eur. Polym. J. 44, 1714-1721 (2008).
  23. Mosquet, M., Chevalier, Y., Le Perchec, P., Guicquero, J. P. Synthesis of poly (ethylene oxide) with a terminal amino group by anionic polymerization of ethylene oxide initiated by aminoalcoholates. Macromol. Chem. Phys. 198, 2457-2474 (1997).
  24. Burchard, W. Solution properties of branched macromolecules. Adv. Polym. Sci. 143, 113-194 (1999).
  25. Gao, H. F. Development of Star Polymers as Unimolecular Containers for Nanomaterials. Macromol. Rapid Comm. 722-734 (2012).
  26. Blencowe, A., Tan, J. F., Goh, T. K., Qiao, G. G. Core cross-linked star polymers via controlled radical polymerisation. Polymer. 50, 5-32 (2009).
  27. Burts, A. O., Liao, L., Lu, Y. Y., Tirrell, D. A., Johnson, J. A. Brush-first and Click: Efficient Synthesis of Nanoparticles that Degrade and Release Doxorubicin in Response to Light. Photochem. Photobiol. (2013).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics