Partículas sem Box: Brush-primeiro Síntese de fotodegradáveis ​​PEG Estrelas Polímeros em condições ambientais

Chemistry

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Summary

Poli (etileno-glicol) (PEG) escova do braço estrela polímeros (BASPs) com distribuições estreitas de massas e tamanhos nanoscopic sintonizáveis ​​são sintetizados através de abertura de anel na polimerização de metátese (ROMP) de um macromonómero de PEG-norborneno seguido por transferência de porções da vida, resultando escova iniciador para frascos contendo quantidades variadas de uma superfície rígida, foto-cliváveis ​​bis-norborneno reticulador.

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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).

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Abstract

Métodos convenientes para a síntese rápida, paralelo de nanopartículas diversamente funcionalizadas vai permitir a descoberta de novas formulações para a entrega da droga, imagiologia biológica, e catálise suportado. Neste relatório, nós demonstramos a síntese paralela de estrela escova braço-polímero (BASP) nanopartículas pelo método de "escova em primeiro lugar". Neste método, um poli terminada-norborneno (etileno glicol) (PEG) macromonómero (PEG-MM) é polimerizada em primeiro lugar, através de polimerização metátese de abertura de anel (ROMP) para gerar um macroiniciador escova vivo. Alíquotas desta solução de reserva de iniciador são adicionados aos tubos de ensaio que contêm quantidades variadas de um agente de reticulação de bis-fotodegradável norborneno. A exposição ao agente de reticulação inicia uma série de escovas controlado cineticamente + escova e as reacções de acoplamento estrela + estrela que acaba por produzir BASPs com núcleos constituídos por o agente de reticulação e coronas composto de PEG. O tamanho final BASP depende da quantidade de agente de reticulação adicionado. Realizamos o syntese de três BASPs na bancada, sem precauções especiais para remover o ar e umidade. As amostras são caracterizadas por cromatografia de permeação em gel (GPC); resultados concordam estreitamente com o nosso relatório anterior que utilizou (glovebox) condições inertes. Principais características práticas, vantagens e possíveis desvantagens do método da escova-primeiro são discutidos.

Introduction

Nanopartículas poliméricas têm sido amplamente estudados para seu uso potencial como plataformas para a entrega da droga, catálise suportado, imagiologia biológica e auto-montagem 1-3. As aplicações modernas exigem que sínteses de nanopartículas ser fácil, reprodutível, compatível com todas as funcionalidades químicas, e passíveis de diversificação 4,5. De abertura do anel de polimerização metátese (ROMP) de olefinas tensas é uma poderosa metodologia para a síntese de nanoestruturas poliméricos funcionais com tamanhos controladas e estreitas distribuições de massa 1,6-8. Por exemplo, funcionalizada-norborneno poli (etileno glicol) (PEG) macromonómeros (MMS) pode ser eficientemente polimerizado através ROMP para gerar polímeros de garrafa escova solúveis em água. Usando esta abordagem, nanoestruturas que transportam moléculas múltiplas drogas libertáveis, fluoróforos, e agentes de rotação contraste podem ser preparados rapidamente e em paralelo 6, 9, 10.

ROMP também tem sido utilizado para a síntese de "bra-primeira" de polímeros em estrela. No método, primeiro braço, os polímeros lineares são reticulados com um agente de reticulação multifuncional para dar nanoestruturas esféricas com os braços poliméricos. Schrock e colaboradores relataram a síntese da primeira ROMP braço e um de polímeros em estrela, por meio de reticulação de norborneno, dicarbomethoxynorbornadiene, e trimetilsililo protegido dicarboxynorbornene polímeros lineares com um agente de reticulação bifuncional norborneno. 11, 12 Buchmeiser alargou esta metodologia para a síntese de materiais com um gama de aplicações que incluem catálise suportado, engenharia de tecidos, e cromatografia de 13-17. Otani e colegas de trabalho fizeram nanopartículas poliméricas estrela com superfícies funcionais por meio de uma estratégia relacionada com "in-out" de polimerização 18, 19.

A maioria das polimerizações braço-primeira envolve uma complexa interação de monômeros, polímeros, e estrela de acoplamento reações. The este último produto, através de um mecanismo de passo no crescimento que normalmente leva a ampla peso molecular (MW) distribuições. Para superar essa limitação em transferência de átomo de reações de polimerização por radicais relacionados braço-primeiro, Matyjaszewski e colegas de trabalho realizado braço-primeiro crosslinking de polímeros pré-formados MMs para fornecer polímeros estrela com distribuições muito estreitas MW 20. Neste caso, o volume estérico dos MMs, eo aumento da proporção de estrelas braços à iniciação locais, inibiu processos estrela + estrela de acoplamento mal controlados, e levou a uma vida, mecanismo de crescimento da cadeia.

Quando se tentou a mesma estratégia, no contexto de ROMP com um terminada-norborneno PEG-MM e um agente de reticulação de bis-norborneno, foram obtidos polímeros em estrela, com muito amplas distribuições MW, multi-modais. Este resultado sugere que, neste sistema, o MM sozinho não foi suficientemente volumoso para inibir estrela + estrela de acoplamento. Para aumentar o volume estérico dos braços da estrela, e, potencialmente, limitar este uncontroencheram de acoplamento, buscou-se primeiro polimerizar o MM para formar polímeros de garrafa escova na ausência de agente de reticulação e, em seguida, adicione o crosslinking. Ficamos satisfeitos ao descobrir que, sob certas condições, este método "escova-primeiro", desde o acesso direto a "estrela polímeros escova-braço" (BASPs) com distribuições MW estreitas e núcleo ajustável e funcionalidades corona.

Recentemente, relatou a síntese ROMP escova antes de BASPs PEG utilizando Grubbs 3 ª geração catalisador A (Figura 1) 21. Neste trabalho, a exposição de PEG-MM B para o catalisador A gerado um pincel macroiniciador estar com comprimento da cadeia principal definido (B1, Figura 1). Transferência de alíquotas de 1 a B para frascos que continham diferentes quantidades de agente de reticulação C iniciou BASPformação. O MW, e, por conseguinte, o tamanho, das BASPs aumentado geometricamente com a quantidade de C adicionado. Fornecemos uma hipótese mecanística para este processo de crescimento geométrico e demonstrou que, funcionais e-núcleo BASPs marcada com nitróxido de corona pode ser prontamente preparado, sem a necessidade de passos de modificação pós-polimerização de monómeros ou adições sequenciais. No entanto, em todos os exemplos relatados, estávamos preocupados com a desativação do catalisador, realizamos todas as reações sob atmosfera de N 2 dentro de um porta-luvas.

Uma vez que o nosso relatório inicial, verificou-se que o método da escova, primeiro é muito eficaz para a formação de BASPs a partir de uma vasta gama de MMs terminada-norborneno e reticuladores funcionais. Também descobrimos que o método pode ser realizado sobre a bancada, sem precauções especiais para remover o ar ou humidade.

Nisto, uma série de três BASPs de diferentes SM será synthesized pelo método escova primeiro em condições ambientais. Em resumo, 10 equivalentes de B irá ser exposto a 1,0 equivalentes de catalisador A (Figura 1-A) durante 15 min para se obter um de BI, com um grau médio de polimerização (DP) de 10. Três alíquotas de este lote de BI irá ser transferido para frascos separados que contêm 10, 15 e 20 equivalentes (N, Figura 1b) de C. Após 4 h, as polimerizações será extinguida através de adição de éter etil vinílico. Os PMs polímero estrela e distribuições MW irá ser caracterizado utilizando um instrumento de cromatografia de permeação em gel equipado com um detector de espalhamento de luz laser multi-ângulo (GPC-MALLS).

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Protocol

Descrevemos primeiro a síntese e purificação do PEG-MM B a partir de 3 kDa, O-(2-aminoetil)-polietileno-glicol (PEG-NH2) e norborneno-N-hidroxissuccinimidilo (NHS) de éster. O composto anterior pode ser adquirido a partir de Sigma Aldrich Inc., ou preparado através de polimerização aniónica de acordo com procedimentos da literatura 22,23. O último composto pode ser preparado em dois passos de acordo com um procedimento publicado 21. Em seguida, descrevem uma síntese de catalisador A comercialmente disponível a partir de 2 catalisador de Grubbs ª geração. Em seguida, demonstram o uso deste complexo para a síntese do BASP escova primeiro. Este experimento detalha o procedimento para a tomada de BASPs com N = 10, 15 e 20 de um BI com DP = 10. Todas as reacções foram realizadas num extractor de fumo usando frascos de cintilação padrão.

CUIDADO: Use sempre luvas, um casaco de laboratório e de laboratórioóculos, e seguir as práticas comuns de segurança de laboratório quando se trabalha com produtos químicos perigosos. Qualquer solvente orgânico deve ser tratado de uma coifa. Os sólidos podem ser pesados ​​em uma balança fora da capela. Produtos químicos não deve entrar em contacto com a pele, olhos ou boca. Recomenda-se vivamente a ler o MSDS para cada solvente e sólido utilizado neste procedimento antes de começar.

1. Preparação de PEG-MM B

  1. Adicionar PEG-NH 2 (300 mg, 0,0001 mol, 1,0 eq) para um frasco de cintilação de 40 ml equipado com uma barra de agitação.
  2. Dissolve-se o PEG-NH 2 em 3 ml de anidro de N, N-dimetilformamida (DMF).
  3. Adicionar 36 mg de norborneno-éster NHS (0.000105 mol, 1,05 eq) 21.
  4. Tapar o frasco e agita-se a mistura de reacção durante a noite à temperatura ambiente.
  5. Remover a barra de agitação e adicionar éter dietílico à solução de reacção para precipitar o PEG-MM B.
  6. Filtrar a gripe brancoFFY precipitar e lavar extensivamente com éter dietílico. Alternativamente, a transferência da suspensão para um tubo de centrífuga de 50 m, centrifugar a 4000 rpm durante 5 min à temperatura ambiente, e em seguida decanta-se o sobrenadante. Adicionar éter etílico fresco, centrífuga, e decantar novamente. Recomendamos repetir este procedimento 3x para um total de 5x.
  7. Seca-se o precipitado sob vácuo durante 24 horas para remover o éter dietílico residual.

2. A purificação do PEG-MM

No nosso relatório anterior, o PEG-MM B foi preparado a partir de PEG disponíveis comercialmente-NH 2 e foi usado para a síntese do BASP sem purificação adicional, após secagem (isto é, após o passo 1.7). Neste estudo, que variam o PEG-NH2 fonte (comercial contra caseiro), e que compara os resultados de formação de BASP antes e depois da cromatografia líquida preparativa de elevado rendimento mais rigorosa (prep-HPLC) MM purificação. No fim do estudo, o drMM ied obtido após a etapa 1.7 é referido como B1. Prep-HPLC foi usada para purificar B1 para dar B2. Um meio de HPLC prep purificado MM análoga sintetizados no nosso laboratório por meio de polimerização aniónica é referido como B3. HPLC preparativa foi realizada utilizando um Beckmann Coulter HPLC (módulo de solvente 127p e um módulo detector de 166p) com um circuito de amostra de 1 ml e uma coluna de fase reversa Agilent Zorbax 300SB-C18 PrepHT à temperatura ambiente.

  1. Defina-se por HPLC com o solvente A: água desionizada (sistema de purificação de Millipore, 18,2 Ω) com ácido acético a 1%, solvente B: acetonitrilo.
  2. Bombas Prime e equilibrar coluna com 95% de A e 5% de B.
  3. Dissolve-se o PEG-MM em acetonitrilo ou MeOH (150 mg / ml).
  4. Filtrar através de um 13 milímetros de 0,45 um filtro de nylon de uma seringa.
  5. Definir método de HPLC:
    - Taxa de fluxo: 20 ml / min
    - 0-1 minutos: gradiente linear de 10% B e 90% de A
    - 1-10 min: linear gradiente para 90% de B e 10% de A
    - 10-13 min: interruptor às condições iniciais (5% B e 95%) e re-equilibrar coluna
    - Definir detector UV para detectar absorvância a 256 nm
  6. Carregar 0,8 ml de amostra para o ciclo de amostra.
  7. Injetar amostra.
  8. Recolher o maior pico de absorção (nas condições especificadas, o produto elui entre 5-7 min).
  9. Repita conforme necessário. Combinar as fracções puras em conjunto num frasco de fundo redondo.
  10. Remova todo o solvente por evaporação rotativa.
  11. Redissolver o produto em diclorometano e adicionar sulfato de sódio. Agite ou mexa o frasco periodicamente para ≅ 1 hora.
  12. Filtra-se a mistura utilizando um filtro de frita de vidro.
  13. Concentre-se por evaporação rotativa. Secar sob vácuo durante a noite.
  14. O PEG-MM pode ser caracterizado por RMN-1H em CD 2 Cl 2 (15-20 ml mg/0.7 CD 2 Cl 2, 500 MHz ou superior é recomendado com mais de 128 exames e demora relaxamento, d1= 2,0 s) e MALDI-TOF usando o modo de ionização positivo e 2 - (4-hydroxyphenylazo) benzóico como matriz MALDI.
  15. O PEG-MM pode ser armazenado durante meses em um frasco de cintilação, a 4 ° C.

3. Preparação de Catalisador A

  1. Adicionar catalisador de Grubbs de 2 ª geração (500 mg, 0,589 mmol) a um frasco de 20 ml equipado com uma barra de agitação.
  2. Adicionar piridina (cerca de 0,474 ml, 5,89 mmol, 10 eq) ao frasco. A cor da solução deve mudar imediatamente de vermelho para verde. Deixar a reacção a agitar até que toda a cor vermelha desapareceu e a solução tornou-se viscosa (15-30 min).
  3. Encha o frasco de reacção com pentano fria para precipitar complexo A.
  4. Filtrar a suspensão para recolher o precipitado verde (catalisador A). Lave 4x com 15 ml de pentano frio.
  5. Seque o sólido verde sob vácuo durante a noite.
  6. Um complexo pode serarmazenadas durante meses à temperatura ambiente num exsicador de bancada, sem perda significativa de actividade. Por precaução extra, que normalmente armazenam o complexo em um freezer -20 ° C no interior de um porta-luvas. Valores Por conveniência, nós pré-pesar conhecido de um em quatro frascos de cintilação ml imediatamente após a secagem (passo 3.5). Em seguida, armazenar esses frascos no congelador porta-luvas. Quando estiver pronto para executar uma reação ROMP, nós simplesmente tomar um frasco para fora do porta-luvas e usar como descrito a seguir (passo 4.4).

4. Preparação de Solução de Viver Escova Polymer (BI) com DP = 10

  1. Em um frasco de 3 ml com tampa de rosca à prova de gás equipado com uma barra de agitação, pesar 65 mg (0,020 mmol, 10 eq) de MM B. Esta quantidade corresponde a 20 mg de MM para cada um dos três tamanhos diferentes de BASPs, e 5 mg de sobra para análise de GPC do BI. Usar uma espátula para adicionar o MM directamente para o fundo do frasco. Try para evitar que o material adere às paredes do frasco, este cenário pode levar a MM contaminação no produto final BASP.
  2. Dissolve-se o MM B em 158 mL de THF. Tape imediatamente o frasco após a adição de THF, para evitar a evaporação do solvente. Nota: A concentração final de MM durante a polimerização deve ser 0,05 M. Se 158 mL de THF é adicionada aqui, em seguida, 243 ul de solução de catalisador, a etapa 4.4, será adicionado para dar 401 mL de THF totais, o que corresponde a [MM ] = 0,05 M. A quantidade de solvente, durante este passo pode ser variada, desde que a quantidade de solvente durante a etapa 4.4, também é variada para dar [MM] 0,05. Verificou-se que as polimerizações realizadas com [MM] <0,05, por vezes, não prossiga para completar a conversão.
  3. Deixe a solução agitar até todo o MM está dissolvido. Aqueça levemente, se necessário. Evite salpicando a solução viscosa para os lados ou a tampa do frasco.
  4. Em seguida, adicione uma quantidade conhecida (2,8mg para este exemplo) de catalisador A de um frasco de 3 ml (ou obter um frasco com pré-pesado catalisador A). Adicionar THF anidro (466 ul neste exemplo) para se obter uma solução a 6 mg / ml de catalisador. Tampe o frasco imediatamente. Permitir que o catalisador para dissolver completamente;. Agitar o frasco, se necessário Esta solução de catalisador deve ser usado imediatamente para brincar. Nota 1: A solução de catalisador deve ser uma cor verde floresta. Se for preto ou marrom-esverdeada, então ele tem provavelmente decomposto, e provavelmente não irá produzir resultados ROMP satisfatórios. Se ocorrer decomposição, sugerimos preparar catalisador fresco (de acordo com a secção 3 acima), ou usando THF recentemente destilada. Nota 2: O valor de THF adicionado a A é escolhido para assegurar que a final [MM] é ~ 0,05. Este valor pode ser ajustado, desde que ajustes compensatórios são feitas para a solução MM no passo 4.2.
  5. Adicionar 243 ul (1,46 mg; 1 eq para B BI impureza no BASP final.
  6. Tapar o frasco imediatamente e deixar a mistura de reacção agitar durante 15 min, para formar a escova de macroiniciador (BI).

5. Formação de BASPs

  1. Adicionar 3,6 ± 0,1 mg (6,18 mmol, 10 eq de a quantidade de BI para ser transferido no passo 5.2), 5,5 ± 0,1 mg (9.28μmol, 15 eq de a quantidade de BI para ser transferido no passo 5.2), e 7,3 ± 0,1 mg (12.4μmol, 20 eq para a quantidade de BI para ser transferido no passo 5.2) de agente de reticulação C para três diferentes frascos de 3 ml, equipados com barras de agitação. Tente pesar o reticulador directamente sobre o fundo do frasco para evitar que o material adere às paredes do frasco. Nota: Agente de reticulação C não é altamente solúvel em THF. Por esta razão, o sólido é usado directamente neste passo. Nos casos em que o agente de reticulação seja solúvel, em seguida, uma solução mãe concentrada de agente de reticulação pode ser feita, e várias quantidades desta solução pode ser transferido para frascos. Mais uma vez, a concentração das polimerizações finais devem ser> 0,05 M, se o solvente é adicionado ao agente de ligação cruzada, em seguida, a redução compensatória do solvente deve ser feito noutro local.
  2. Adicionar 123 ul (0,618 mmol) da solução de BI para cada um dos três frascos que contêm C. Tente manter a ponta da agulha um pouco acima do crosslinker sólida ao adicionar ao frasco. Adicionar a solução de BI de uma só vez em vez de gota a gota.
  3. Tapar os frascos e agitar as reacções RT para atéconclusão. Com esta combinação de MM específica e agente de reticulação, a reacção completa-se em ~ 4 h; agitação contínua durante até 24 h não tem efeito perceptível sobre o crescimento BASP. Monitorar por GPC para assegurar a conversão completa de BI.
  4. Extingue-se as reacções pela adição de uma gota de éter etilvinílico à solução restante BI e cada um dos N = 10, 15, e 20 misturas reaccionais BASP. Agita-se durante 10 minutos para assegurar a extinção completa.

6. GPC Preparação de Amostras

Os resultados de GPC-shoppings foram obtidos em um Agilent 1260 LC sistema equipado com uma coluna Shodex GPC KD-806M, um detector de Wyatt Amanhecer Heleos-II MALLS, e um detector de índice de refração Wyatt Optilab T-Rex em temperatura ambiente. DMF com 0,025 M de LiBr, a uma taxa de fluxo de 1,0 ml / min foi usada como o eluente. Os resultados foram analisados ​​utilizando Astra 6 software fornecido por Wyatt.

  1. Usando uma nova pipeta de vidro para cada tubo de reação, Mergulhe a ponta da pipeta na solução de reação para elaborar uma pequena amostra da reação. Lavar o interior da pipeta, com 250 mL de 0,025 M de LiBr em DMF para dar uma concentração final de cerca de 3 mg / ml.
  2. Filtra-se a amostra diluída por meio de um filtro de politetrafluoroetileno de 0,45 antes de depositar a amostra para um frasco de GPC.
  3. Set-up GPC-shoppings corridas e analisar os resultados uma vez que as corridas sejam concluídas.

Lista de Abreviaturas:

A: Grubbs 3 catalisador piridina bis-ª geração

B: poli (etileno-glicol) (PEG) macromonómero (MM)

B1: PEG MM preparada usando comercialmente disponível (Aldrich) de PEG-NH 2 e usado sem purificação por HPLC.

B2: PEG MM preparada usando disponível comercialmente (Aldrich) de PEG-NH

B3: PEG MM preparada usando sintetizada PEG-NH 2 e utilizado depois de purificação por HPLC.

BASP: Escova de-braço estrela polímero

BI: vivendo escova iniciador

C: reticulador fotodegradável

D: índice de dispersibilidade massa molar

DMF: N, N-dimetilformamida

DP: número de polimerização médio grau

GPC: cromatografia de permeação em gel

Prep-HPLC: cromatografia líquida de alta performance

MALLS: multi-ângulo de espalhamento de luz laser

MM: macromonómero

MW: peso molecular

M w: peso mo médiamassa lar

N: número de equivalentes do agente reticulante (proporção de C para A)

NHS: N-hidroxisuccinimidilo

PEG: polietileno glicol

PEG-MM: norborneno-PEG macromonómero (também referida como composto B)

ROMP: polimerização metátese anel de abertura

THF: tetra-hidrofurano

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Representative Results

A Figura 2 mostra a GPC traça para uma variedade de BASPs preparados a partir de B1, B2, B3 e. Em todos os casos, os dados mostram que o aumento de equivalentes de agente de reticulação (N) conduz a um aumento no tamanho da BASP. Como foi observado no nosso relatório anterior, 10 equivalentes de agente de reticulação não é suficiente para alcançar BASPs uniformes, a amostra N = 10 mostra um traçado GPC claramente multimodal com uma grande quantidade de polímero de escova residual, especialmente no caso de não purificado MM B1 ( Figura 2a). Maiores quantidades de crosslinker resultar em distribuições MW uniformes com muito pouco escova residual e MM. A massa molar ponderal média (M w) aproximadamente dobra em ir de N = 15-20. No caso de B3, não MM residual e menos de 1% de BI residual permanece para N = 15 e N = 20 casos.

Figura 1
Figura 1. Esquemático por pincel-Braço Polímero em Estrela (BASP) Síntese. Painel (a) ilustra a síntese de Grubbs 3 rd bispyridine geração de catalisador (A) comercialmente disponível a partir de Grubbs catalisador 2 ª geração. Também são mostradas as estruturas da PEG-MM (B) e agente de reticulação (C) usado no presente trabalho. O painel (b) mostra um diagrama esquemático do processo de escova primeiro. A polimerização do PEG-MM (B) com o catalisador (A), gera-se a 10 unidade de escova de estar iniciador (BI), que é então adicionado ao agente de reticulação (C) resultando na formação de um BASP. ig1highres.jpg "target =" _blank "> Clique aqui para ver imagem ampliada.

Figura 2
Figura 2. Resultados representativas de GPC do N = 10, 15, e 20 BASPs preparados a partir de vários PEG MMS. Painéis (a), (b), e (c) mostram os dados para MMS B1, B2, B3 e, respectivamente. Impurezas de comercial PEG-NH 2, que não reagiu, MM, e BI residual são marcadas com asteriscos. Valores M índice w e dispersibilidade (D) são fornecidos nas tabelas embutidas. Note-se que os valores D obtidos por GPC para nanoestruturas altamente ramificados deve ser considerada cuidadosamente 24,25. A observação de picos uniformes monomodais, sugere uma estreita distribuição de raios de partículas.tp_upload/50874/50874fig2highres.jpg "target =" _blank "> Clique aqui para ver imagem ampliada.

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Discussion

A principal vantagem da síntese BASP escova-primeiro é a capacidade única de sintetizar nanoestruturas rapidamente de tamanho e composição diversificada em paralelo, sem necessidade de equipamentos especializados. Neste estudo, foi demonstrado o método sintético escova primeiro usando um norborneno funcionalizado macromonómero PEG (B, Figura 1) e um composto bis-éster de norborneno nitrobenzilo reticulador (C, Figura 1). As cadeias de PEG de B transmitir solubilidade em água para a estrutura final BASP. O agente de reticulação à base de nitrobenzilo é fotodegradáveis.

Este procedimento geral pode ser modificado para outros MMs baseados exo-norborneno e reticuladores. Nós preparamos BASPs de várias combinações de ambos. Por exemplo, usamos MMs baseados em norbornene-PEG que carregam diferentes drogas anti-câncer, nitróxidos e ressonância magnética agentes de contraste de imagem 27. Temos também utilizado MMs composta de diferentes polímeros PEG. Na nossa experiência, o método de escova primeiro pode ser aplicado a praticamente qualquer imida exo-norborneno funcional terminada MM. Nos casos em que altas conversões de MM com a BI (> 95%) não são alcançadas, uma impureza MM é a principal culpada (em oposição à actividade catalítica). Purificação mais rigoroso, conforme descrito neste relatório (prep-HPLC) normalmente leva para brincar com sucesso. Note que nós não tentamos polimerizações ROMP com MMs que levam grupos funcionais desprotegidos que são conhecidos por interferir com catalisador A (eg aminas livres, olefinas, azidas, etc.) Estes grupos podem ser introduzidos após a síntese escova-primeira via modificação pós-polimerização 27. Por exemplo, nós preparamos azida-BASPs de MMs haleto de alquila que foram convertidos para azidas após a formação do BASP. Estas azidas foram utilizados para Cu-catalisada azida-alcino cicloadição "Click &º 34; reações.

Procurou-se estudar o impacto da MM pureza em mais detalhes. Pequenas quantidades de MM residual e BI foram sempre observados em GPC traça quando as reações de pincel, primeiro foram realizadas usando MM preparada a partir disponível comercialmente PEG-NH 2 (B1, Figura 2a). Nós tínhamos aprendido com a experiência que MMs completamente puros geralmente dão conversão MM quantitativa. Além disso, tinha notado que a quantidade de MM residual pode variar dependendo do número do lote do comercial PEG-NH 2. Nós suspeitamos que um não-funcional PEG-NH2 impureza, talvez simplesmente PEG diol, foi o responsável pela aparente MM impureza residual. Portanto, utilizou-prep-HPLC para purificar B1, para dar MM B2 Figura 2b mostra que este processo de purificação, de fato, diminuir a quantidade de MM residual (estrela laranja) de aproximadamente duas vezes,. Não remove-lo completamente. Curiosamente, B2 deu uma conversão mais elevada de BI para BASPs bem, talvez uma impureza que levou a desactivação do catalisador foi removido por meio de HPLC-prep. Ainda insatisfeito com a quantidade de MM residual, seguimos métodos da literatura para a síntese de PEG-NH 2 via polimerização aniônica do óxido de etileno a partir de etanolamina (ATENÇÃO: O óxido de etileno deve ser manuseado por treinados, químicos experientes, é um altamente inflamáveis, explosivos , e de gás tóxico!). 22,23 MM preparada a partir desta caseiro PEG-NH 2 (B3) produziu resultados melhorados em comparação com os MMs comerciais. A análise de GPC das BASPs correspondentes não mostrou MM residual detectável e muito pequeno (<1%) residual BI (Figura 2c). Assim, se forem necessários BASPs alta pureza recomendamos usar o mais puro possível MM. Note-se que MM residual e BI pode ser facilmente removidoos BASPs maiores através de diálise após síntese escova-primeiro.

Temos também utilizado diferente de C crosslinkers. Por exemplo, nós preparamos BASPs de complexos bisnorbornene metal, iniciadores de polimerização, ligantes clivãvel-ácidos, e os anfitriões supramoleculares. Descobrimos que reticuladores com espaçadores rígidos entre os norbornenos tendem a fornecer os BASPs mais uniformes; tais agentes de ligação cruzada são menos susceptíveis de sofrer reacções de ciclização intramolecular que consomem norbornenos, mas não contribuem para o crescimento BASP.

Independentemente da combinação de MM e crosslinker, encontramos as seguintes práticas gerais levará à maior chance de sucesso escova primeiro. Em primeiro lugar, antes de tentar a síntese escova primeiro com monômeros recém-sintetizados, recomendamos fazer a escova polímero DP = 10 sozinho e, possivelmente, polímeros escova mais longos com DP = 25 e 50. Se esses testes forem bem sucedidos, há uma excelente chance de que a escova-primeirométodo também será bem sucedida. Em segundo lugar, a concentração ideal para a polimerização escova primeiro é dependente da composição química e estrutura do monómero dos componentes. Recomendamos testar algumas concentrações em pequena escala antes de fazer um grande lote de BASP. Em terceiro lugar, as polimerizações realizadas em diclorometano ou tetra-hidrofurano parecem dar os melhores resultados, os monómeros que são solúveis em tais solventes são o ideal. Como discutido acima, se o agente de reticulação é fracamente solúvel nestes solventes é recomendável adicionar-o como um sólido, em vez de adição de solvente adicional. Contanto que o MM é solúvel, descobrimos que a reticulação traz a crosslinker completamente em solução em poucos minutos. Em quarto lugar, embora a polimerização não requer condições inertes, recomendamos armazenamento do catalisador sob atmosfera inerte, para aumentar o seu tempo de vida. Mais importante, o catalisador irá decompor-se ao longo do tempo em solução, a solução de catalisador deve ser preparado a partir da terceira geração de Grubbs caTalyst cada vez que uma série de reacções ROMP é realizada. Finalmente, a quantidade de agente de reticulação necessária para BASPs uniformes irão variar amplamente com a estrutura de agente de reticulação e MM. Como mostrado na Figura 2, 10 equiv de reticulador C não é suficiente para fornecer conversões completas de BI. Em outros casos, descobrimos que a adição de 1 equivalente de agente de reticulação, e mesmo até 40 equivalentes, proporciona bons resultados. Sempre que um novo agente de ligação cruzada é para ser usado, é recomendável executar uma série de reacções em pequena escala, com vários valores de N para identificar quantidades óptimas do agente reticulante.

Como uma nota final, é importante reconhecer que existem muitos métodos alternativos para a preparação de polímeros em forma de estrela (com núcleo e em primeiro lugar, com o braço em primeiro lugar, etc) 25, 26. Cada método tem vantagens e desvantagens, tais como limites para o tamanho, as exigências de purificação e compatibilidade do grupo funcional. Argumenta-se que a ampla tolerância grupo funcional de traquinagem,a facilidade de síntese de monómeros funcionais de norborneno-base, e a capacidade para realizar as reacções ROMP na bancada rapidamente, em paralelo, e, à temperatura ambiente, tornar a abordagem ROMP escova primeiro merece consideração para uma variedade de aplicações. No futuro, vamos continuar a desenvolver este método e BASP nanoarquiteturas para várias aplicações, incluindo drogas e entrega do gene, imagem celular e auto-montagem. O potencial dessas novas partículas, e sua capacidade de síntese combinatória, ainda não foi explorado.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgements

Agradecemos ao Departamento de Química do MIT e aos conceitos do Comitê MIT Lincoln Labs avançada para apoiar este trabalho.

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

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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).

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