Partículas sin caja: Cepillo-primero Síntesis de fotodegradables PEG estrellas Polímeros bajo Condiciones Ambientales

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 (etilenglicol) (PEG) polímeros de estrella cepillo-brazo (BASPs) con distribuciones estrechas de masas y tamaños nanoscópicas sintonizables se sintetizan en medio de la polimerización de metátesis de apertura de anillo (ROMP) de un macromonómero de PEG-norborneno seguido de la transferencia de porciones de la vida resultante cepillo de iniciador a viales que contienen cantidades variadas de una superficie rígida, foto-escindibles bis-norborneno reticulante.

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

Los métodos convenientes para la síntesis rápida, paralela de nanopartículas funcionalizadas diversamente permitirán descubrimiento de nuevas formulaciones para la administración de fármacos, imágenes biológicas, y la catálisis soportada. En este informe, demuestran la síntesis paralela de polímero estrella cepillo-brazo (BASP) nanopartículas mediante el método de "pincel-primero". En este método, un poli norborneno-terminado (etilenglicol) (PEG) macromonómero (PEG-MM) se polimeriza primero a través de polimerización por metátesis con apertura de anillo (ROMP) para generar un macroiniciador cepillo de estar. Las alícuotas de esta solución madre iniciador se añaden a viales que contienen cantidades variadas de una fotodegradable reticulante bis-norborneno. La exposición a agente reticulante inicia una serie de cepillo controlada cinéticamente-+ cepillo y reacciones de acoplamiento estrella + estrellas que produce en última instancia BASPs con núcleos formados por el agente de reticulación y coronas compuesto de PEG. El tamaño final de BASP depende de la cantidad de reticulante añadido. Llevamos a cabo el syntesis de tres BASPs sobre la mesa de trabajo sin tomar precauciones especiales para eliminar el aire y la humedad. Las muestras se caracterizaron por cromatografía de permeación en gel (GPC), y los resultados coincidieron estrechamente con nuestro informe anterior que utilizó (guantera) condiciones inertes. Se discuten las características clave prácticos, ventajas y posibles desventajas del método-cepillo primero.

Introduction

Nanopartículas poliméricas han sido ampliamente estudiados por su potencial uso como plataformas para la administración de fármacos, la catálisis soportada, imágenes biológicas, y auto-ensamblaje 1-3. Las aplicaciones modernas requieren que las síntesis de nanopartículas de ser fácil, reproducible, compatible con todas las funciones químicas, y susceptibles de diversificación 4,5. Polimerización por metátesis por apertura de anillo (ROMP) de olefinas torcido es una metodología poderosa para la síntesis de nanoestructuras poliméricas funcionales con tamaños controlados y distribuciones estrechas de masas 1,6-8. Por ejemplo, norborneno funcionalizado con poli (etilenglicol) (PEG) macromonómeros (MMS) puede ser polimerizado de manera eficiente a través de ROMP para generar polímeros botella-cepillo solubles en agua. Usando este enfoque, nanoestructuras que llevan múltiples moléculas liberables de drogas, fluoróforos, y agentes de contraste de spin-se pueden preparar rápidamente y en paralelo 6, 9, 10.

ROMP también se ha utilizado para la síntesis "armar-primero" de polímeros estrella. En el método de brazo primero, polímeros lineales se reticulan con un agente de reticulación multifuncional para dar nanoestructuras esféricas con los brazos poliméricos. Schrock y colaboradores comunicaron la primera síntesis ROMP-brazo primero de polímeros estrella a través de la reticulación de norborneno, dicarbomethoxynorbornadiene y protegido con trimetilsililo dicarboxynorbornene polímeros lineales con un agente de reticulación bifuncional norborneno. 11, 12 Buchmeiser ha extendido esta metodología para la síntesis de materiales con un gama de aplicaciones que incluyen la catálisis soportada, la ingeniería tisular, y 13-17 cromatografía. Otani y compañeros de trabajo han hecho de nanopartículas de polímeros estrella con superficies funcionales a través de una estrategia relacionada "in-out" polimerización 18, 19.

La mayoría de las polimerizaciones de brazo primero implica una compleja interacción de monómeros, polímeros, y de acoplamiento estrella reacciones. The éste procede a través de un mecanismo de paso de crecimiento que típicamente conduce a la amplia del peso molecular (Mw). Para superar esta limitación en la transferencia de átomo de reacciones de polimerización por radicales de brazo primero relacionados, Matyjaszewski y colaboradores llevaron a cabo la reticulación de brazo primero de los MM poliméricos preformados para proporcionar polímeros de estrella con distribuciones de MW muy estrechas 20. En este caso, el volumen estérico de los MM, y el aumento de la relación de las armas estrella de la iniciación sitios, inhiben los procesos de acoplamiento estrella estrella + mal controlada, y dieron lugar a la vida, el mecanismo de crecimiento de la cadena.

Cuando se intentó la misma estrategia en el contexto de ROMP con un PEG-norborneno-MM terminado y un reticulante bis-norborneno, se obtuvieron polímeros de estrella con, distribuciones de MW multimodales muy amplios. Este resultado sugiere que en este sistema por sí solo el MM no era lo suficientemente voluminoso para inhibir STAR + acoplamiento estrella. Para aumentar el volumen estérico de los brazos de la estrella, y potencialmente limitar este uncontroacoplamiento lled, se intentó polimerizar primero el MM para formar polímeros de botella cepillo en ausencia de agente de reticulación y luego añadir el agente de reticulación. Nos quedamos encantados de descubrir que bajo ciertas condiciones, este método "pincel-primero", siempre podrá acceder fácilmente a los "polímeros estrella cepillo de mano dura" (BASPs) con distribuciones estrechas MW y núcleo sintonizable y funcionalidades de corona.

Recientemente hemos informado de la síntesis ROMP-brush primero de BASPs PEG utilizando Grubbs 3 ª generación catalizador A (Figura 1) 21. En este trabajo, la exposición de PEG-MM B a catalizador A genera un macroiniciador cepillo de estar con longitud de cadena definida (B1, Figura 1). Transferencia de alícuotas de la B 1 a viales que contenían diferentes cantidades de reticulante C inició BASPformación. El MW, y por lo tanto el tamaño, de las BASPs aumentaron geométricamente con la cantidad de C añadido. Proporcionamos una hipótesis mecanicista para este proceso de crecimiento geométrico y demostramos que el núcleo y-BASPs funcionales, nitróxido de corona marcado se podrían preparar fácilmente sin la necesidad de etapas de modificación posterior a la polimerización de monómeros o adiciones secuenciales. Sin embargo, en todos los ejemplos presentados, estábamos preocupados por la desactivación del catalizador, se llevó a cabo todas las reacciones bajo atmósfera de N2 dentro de una caja de guantes.

Dado que nuestro informe inicial, se ha encontrado que el método de cepillo primera es muy eficaz para la formación de BASPs entre una amplia gama de MMS norborneno-terminado y reticulantes funcionales. También hemos descubierto que el método se puede realizar en la mesa de trabajo sin precauciones especiales para eliminar el aire o la humedad.

En este documento, se Sy una serie de tres BASPs de diferentes MWsnthesized por el método de cepillo primero en condiciones ambientales. En breve, 10 equivalentes de B estarán expuestos a 1,0 equivalentes de catalizador A (Figura 1A) durante 15 minutos para producir un BI con un grado medio de polimerización (DP) de 10. Tres partes alícuotas de este lote de BI serán transferidos a viales separados que contienen 10, 15, y 20 equivalentes de (N, Figura 1b) de C. Después de 4 horas, las polimerizaciones se apagará mediante adición de acetato de vinil éter. Los MW polímero en estrella y las distribuciones de MW se caracterizan usando un instrumento de cromatografía de permeación en gel equipada con un detector de dispersión de luz láser multi-ángulo (GPC-MALLS).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

En primer lugar, se describe la síntesis y purificación de PEG-MM B de 3 kDa de O-(2-aminoetil) polietilenglicol (PEG-NH 2) y norborneno-N-hidroxisuccinimidil éster (NHS). El primer compuesto puede ser adquirido de Sigma Aldrich Inc, o se prepara a través de polimerización aniónica de acuerdo con procedimientos de la bibliografía 22,23. El último compuesto se puede preparar en dos etapas de acuerdo con un procedimiento publicado 21. A continuación se describen una síntesis del catalizador A partir comercialmente disponible catalizador ª generación Grubbs 2. A continuación, mostramos el uso de este complejo para la síntesis de BASP cepillo de primera. Este experimento se detalla el procedimiento para hacer BASPs con N = 10, 15, y 20 de un BI con DP = 10. Todas las reacciones se realizaron en una campana de extracción utilizando viales de centelleo estándar.

PRECAUCIÓN: Siempre use guantes, bata de laboratorio y laboratoriovasos, y siga las prácticas comunes de seguridad de laboratorio cuando se trabaja con productos químicos peligrosos. Cualquier disolvente orgánico debe manejarse en una campana de humos. Los sólidos se pueden pesaron en una balanza fuera de la campana de humos. Los productos químicos no deben entrar en contacto con la piel, los ojos o la boca. Se recomienda encarecidamente leer el MSDS para cada disolvente utilizado y sólida en este procedimiento antes de comenzar.

1. Preparación de PEG-MM B

  1. Añadir PEG-NH 2 (300 mg, 0,0001 moles, 1,0 eq) a un vial de centelleo de 40 ml equipado con una barra de agitación.
  2. Disolver los PEG-NH 2 en 3 ml de N, N-dimetilformamida (DMF).
  3. Añadir 36 mg de norborneno-NHS éster (0,000105 mol, 1,05 eq) 21.
  4. Se tapa el vial y se agita la mezcla de reacción durante la noche a temperatura ambiente.
  5. Retire la barra de agitación y añadir éter dietílico a la solución de reacción para precipitar el PEG-MM B.
  6. Se filtra la gripe blancoffy precipitado y lavar exhaustivamente con éter dietílico. Alternativamente, transferir la suspensión a un tubo de centrífuga de 50 m, centrifugar a 4000 rpm durante 5 min a temperatura ambiente, y luego se decanta el sobrenadante. Añadir éter dietílico fresco, centrifugar y decantar de nuevo. Se recomienda repetir este procedimiento 3 veces para un total de 5 veces.
  7. Secar el precipitado al vacío durante 24 horas para eliminar el éter dietílico residual.

2. La purificación de PEG-MM

En nuestro informe anterior, el PEG-MM B se preparó a partir comercialmente disponible de PEG-NH 2 y se utilizó para la síntesis de BASP sin purificación adicional después de secarse (es decir, después de la etapa 1.7). En este estudio, variamos el PEG-NH 2 Fuente (comercial frente casero), y se comparan los resultados de la formación de BASP antes y después de la purificación por cromatografía líquida de alta resolución preparativa más riguroso (HPLC prep) MM. En el resto de este estudio, el Dr.MM IED obtenido después de la etapa 1.7 se conoce como B1. HPLC Prep se utilizó para purificar B1 para dar B2. Una HPLC prep MM purificada análogo sintetizado en nuestro laboratorio a través de la polimerización aniónica se conoce como B3. Prep-HPLC se realizó utilizando un Beckmann Coulter HPLC (módulo de disolvente 127P y módulo detector 166p) con un bucle de muestra de 1 ml y una columna de fase inversa Agilent Zorbax 300SB-C18 PrepHT a temperatura ambiente.

  1. Puesta en marcha HPLC con disolvente A: agua desionizada (sistema de purificación de Millipore, 18,2 Ω) con ácido acético al 1%; disolvente B: acetonitrilo.
  2. Bombas Prime y equilibrar la columna con 95% de A y 5% de B.
  3. Disolver PEG-MM en acetonitrilo o MeOH (150 mg / ml).
  4. Filtrar a través de un filtro de jeringa de nylon 13 mm 0,45 m.
  5. Establecer el método de HPLC:
    - Velocidad de flujo: 20 ml / min
    - 0-1 min: gradiente lineal hasta 10% de B y el 90% de A
    - 1-10 min: lineaR gradiente a 90% de B y 10% de A
    - 10 a 13 min: cambiar las condiciones iniciales (5% B y el 95%) y volver a equilibrar la columna
    - Establecer detector UV para detectar la absorbancia a 256 nm
  6. Cargar 0,8 ml de muestra en el loop de muestra.
  7. Inyectar la muestra.
  8. Se recoge el pico de absorbancia mayor (en las condiciones especificadas, el producto eluye entre 5-7 min).
  9. Repita si es necesario. Se combinan las fracciones puras juntos en un matraz de fondo redondo.
  10. Quite todo el disolvente mediante evaporación rotatoria.
  11. Volver a disolver el producto en diclorometano y añadir sulfato de sodio. Sacudir o agitar el frasco periódicamente para ≅ 1 hr suavemente.
  12. Se filtra la mezcla utilizando un filtro de vidrio fritado.
  13. Se concentra por evaporación rotatoria. Se seca bajo vacío durante la noche.
  14. El PEG-MM se puede caracterizar por 1 H-RMN en CD 2 Cl 2 (15 a 20 ml mg/0.7 CD 2 Cl 2, 500 MHz o superior, se recomienda con más de 128 exploraciones y retraso de relajación, d1= 2,0 seg), y MALDI-TOF usando el modo de ionización positivo y 2 - (4-hydroxyphenylazo) ácido benzoico en forma de la matriz de MALDI.
  15. El PEG-MM se puede almacenar durante meses en un vial de centelleo a 4 ° C.

3. Preparación de Catalizador A

  1. Añadir Grubbs catalizador 2 ª generación (500 mg, 0,589 mmol) a un vial de 20 ml equipado con una barra de agitación.
  2. Añadir piridina (aproximadamente 0,474 ml, 5,89 mmol, 10 eq) al vial. El color de la solución se debe cambiar inmediatamente de rojo a verde. Deje que la reacción se deja agitando hasta que todo el color rojo ha desaparecido y la solución se ha convertido en viscosa (15-30 min).
  3. Llene el vial de reacción con pentano frío para precipitar el complejo A.
  4. Se filtra la suspensión para recoger el precipitado verde (catalizador A). Se lava 4x con 15 ml de pentano frío.
  5. Secar el sólido verde bajo vacío durante la noche.
  6. Complejo A puede seralmacenado durante meses a temperatura ambiente en un desecador de sobremesa sin pérdida significativa de actividad. Por precaución adicional, normalmente guardamos el complejo en un -20 ° C congelador dentro de una caja de guantes. Cantidades Por conveniencia, prepesaje conocida de una en 4 ml viales de centelleo que inmediatamente después del secado (paso 3.5). Entonces almacenamos estos viales en el congelador guantera. Cuando esté listo para ejecutar una reacción de ROMP, simplemente tomamos un vial de la guantera y la usamos como se describe a continuación (paso 4.4).

4. Preparación de la solución madre de Vida Brush Polymer (BI) con DP = 10

  1. En un vial de 3 ml con un tapón de rosca estanca al gas equipado con una barra de agitación, pesar 65 mg (0,020 mmol, 10 eq) de MM B. Esta cantidad corresponde a 20 mg de MM para cada uno de los 3 tamaños diferentes de BASPs y 5 mg de sobra para el análisis GPC del BI. Utilice una espátula para añadir el MM directamente a la parte inferior del vial. TrY para evitar que el material se adhiera a los lados del vial como este escenario podría conducir a la contaminación MM en el producto final de BASP.
  2. Disolver el MM B en 158 l de THF. La tapa inmediatamente el vial después de la adición de THF para evitar la evaporación del disolvente. Nota: La concentración final de MM durante la polimerización debe ser de 0,05 M. Si 158 l de THF, se añade aquí, a continuación, 243 l de solución de catalizador, paso 4.4, se añadirá a dar 401 l de THF totales, lo que corresponde a [MM ] = 0,05 M. La cantidad de disolvente durante este paso se puede variar, siempre y cuando también se varía la cantidad de disolvente durante el paso 4.4 para dar [MM] 0.05. Hemos encontrado que las polimerizaciones realizadas con [MM] <0,05 veces no es dirigido a completar la conversión.
  3. Deje que la solución se agita hasta que todo el MM se disuelve. Calentar ligeramente si es necesario. Evitar las salpicaduras de la solución viscosa sobre los lados o la tapa del vial.
  4. A continuación, agregue una cantidad conocida (2,8mg para este ejemplo) de catalizador A a un vial de 3 ml (u obtener un vial con catalizador previamente pesado A). Añadir THF anhidro (466 l en este ejemplo) para dar una solución de catalizador 6 mg / ml. Tape el frasco inmediatamente. Deje que el catalizador se disuelva por completo;. Agite suavemente el frasco si es necesario Esta solución de catalizador debe utilizarse inmediatamente para ROMP. Nota 1: La solución de catalizador debe ser de un color verde bosque. Si es negro o de color marrón verdoso, entonces se ha descompuesto probable, y probablemente no dará resultados satisfactorios ROMP. Si se produce la descomposición, se sugiere preparar catalizador reciente (de acuerdo con el apartado 3 anterior), o el uso de THF recién destilado. Nota 2: La cantidad de THF añadido a A se elige para asegurar que la final [MM] es de ~ 0.05. Este monto puede ser ajustado, siempre y cuando se hacen ajustes compensatorios a la solución de MM en el paso 4.2.
  5. Añadir 243 l (1,46 mg; 1 eq de B BI impureza en la final BASP.
  6. Tape el frasco inmediatamente y dejar que el revuelo mezcla de reacción durante 15 minutos para formar la macroiniciador cepillo (BI).

5. Formación de BASPs

  1. Añadir 3,6 ± 0,1 mg (6,18 mmol, 10 eq a la cantidad de BI para ser transferidos en el paso 5.2), 5,5 ± 0,1 mg (9.28μmol, 15 eq a la cantidad de BI para ser transferidos en el paso 5.2) y 7.3 ± 0,1 mg (12.4μmol, 20 eq a la cantidad de BI para ser transferido en el paso 5.2) de agente de reticulación C a tres separados viales de 3 ml equipados con barras de agitación. Trate de pesar el agente reticulante directamente en la parte inferior del vial para evitar que el material se adhiera a los lados del vial. Nota: Agente de reticulación C no es altamente soluble en THF. Por esta razón, el sólido se utiliza directamente en este paso. En los casos en que el agente de reticulación es soluble, a continuación, una solución madre concentrada de agente de reticulación se puede hacer y diversas cantidades de esta solución puede ser transferida a viales. Una vez más, la concentración de las polimerizaciones final debe ser> 0,05 M; si disolvente se añade a la reticulante a continuación, debe hacerse una reducción compensatoria de disolvente en otro lugar.
  2. Añadir 123 l (0,618 mmol) de la solución de BI a cada uno de los tres viales que contienen C. Trate de mantener la punta de la aguja justo por encima del reticulante sólido cuando se añade al vial. Añadir la solución de BI todos a la vez en lugar de gota a gota.
  3. Tape los frascos y revuelve las reacciones a temperatura ambiente hasta porfinalización. Con esta MM específica y la combinación agente de reticulación, la reacción se completa en ~ 4 horas; agitación continua durante hasta 24 h no tiene ningún efecto discernible en el crecimiento de BASP. Vigilar por GPC para asegurar la conversión completa de BI.
  4. Se inactiva las reacciones mediante la adición de una gota de acetato de vinil-éter a la solución de BI restante y cada uno de los N = 10, 15, y 20 mezclas de reacción de BASP. Agitar durante 10 minutos para asegurar la sofocado completo.

6. GPC Preparación de la muestra

Los resultados de GPC-centros comerciales se obtuvieron en un sistema LC Agilent 1260 equipado con una columna Shodex GPC KD-806M, un detector de Wyatt Amanecer Heleos-II CENTROS COMERCIALES, y Wyatt Optilab T-Rex detector de índice de refracción a temperatura ambiente. DMF con 0,025 M de LiBr a un caudal de 1,0 ml / min fue utilizado como el eluyente. Los resultados se analizaron utilizando Astra 6 software proporcionado por Wyatt.

  1. Utilizando una nueva pipeta de vidrio para cada vial de reacción, Moje la punta de la pipeta en la solución de reacción a elaborar una pequeña muestra de la reacción. Lavar el interior de la pipeta con 250 l de 0.025 M de LiBr en DMF para dar una concentración final de aproximadamente 3 mg / ml.
  2. Se filtra la muestra diluida a través de un filtro de 0,45 micras de politetrafluoroetileno antes de depositar la muestra en un vial de GPC.
  3. Set-up GPC-MALLS carreras y analizar los resultados una vez que se hayan completado las carreras.

Lista de abreviaturas:

Un: Grubbs catalizador 3-bis piridina ª generación

B: poli (etilenglicol) (PEG) macromonómero (MM)

B1: PEG MM preparó usando el disponible comercialmente (Aldrich) de PEG-NH 2 y se usó sin purificación por HPLC.

B2: PEG MM preparó usando el disponible comercialmente (Aldrich) de PEG-NH

B3: PEG MM preparó usando recién sintetizado PEG-NH 2 y utilizado después de purificación por HPLC.

BASP: polímero estrella cepillo-brazo

BI: salón iniciador cepillo

C: reticulante fotodegradable

Ð: molar índice dispersidad masa

DMF: N, N-dimetilformamida

DP: La polimerización grado medio en número

GPC: cromatografía de permeación en gel

Prep-HPLC: cromatografía líquida de alta resolución preparativa

CENTROS COMERCIALES: multi-ángulo de dispersión de luz láser

MM: macromonómero

MW: peso molecular

M w: peso mo promediomasa lar

N: número de equivalentes de agente de reticulación (relación de C a A)

NHS: N-hidroxisuccinimidilo

PEG: polietilenglicol

PEG-MM: norborneno-PEG macromonómero (también referido como compuesto B)

ROMP: polimerización por metátesis con apertura de anillo

THF: tetrahidrofurano

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

La Figura 2 muestra GPC traza para una variedad de BASPs preparados a partir de B1, B2, y B3. En todos los casos, los datos ilustran que el aumento de los equivalentes de agente de reticulación (N) conduce a un aumento en el tamaño de la BASP. Como se observó en el informe anterior, 10 equivalentes de agente de entrecruzamiento no es suficiente para lograr BASPs uniformes, la N = 10 muestras indica una línea de GPC claramente multimodal con una gran cantidad de polímero cepillo residual sobre todo en el caso de no purificada MM B1 ( Figura 2a). Mayores cantidades de reticulante resultan en distribuciones MW uniformes con muy poco cepillo residual y MM. La masa molar promedio en peso (M w) duplica al pasar de N = 15-20. En el caso de B3, sin MM residual y menos de 1% de BI residual sigue siendo para la N = 15 y N = 20 casos.

Figura 1
Figura 1. Esquema de Brush-Brazo Estrella Polymer (BASP) Síntesis. Panel (a) ilustra la síntesis de "3 ª catalizador bispiridina generación (A) de la disponible en el mercado de Grubbs Grubbs catalizador ª generación 2. También se muestran las estructuras de la PEG-MM (B) y agente de reticulación (C) utilizado en este trabajo. El panel (b) muestra un diagrama esquemático del proceso de cepillo de primera. La polimerización de PEG-MM (B) con el catalizador (A) genera un 10-unidad de cepillo de estar iniciador (BI), que se añade a continuación a reticulante (C) que resulta en la formación de un BASP. ig1highres.jpg "target =" _blank "> Haga clic aquí para ver la imagen más grande.

Figura 2
Figura 2. Los resultados representativos de GPC de la N = 10, 15, y 20 BASPs preparado a partir de diversos MMS PEG. Paneles (a), (b), y (c) representan los datos para MMS B1, B2, y B3, respectivamente. Las impurezas de comercial PEG-NH2, sin reaccionar MM, y BI residual se marcan con asteriscos. Valores de M w y dispersidad índice (D) se proporcionan en las tablas de inserción. Tenga en cuenta que valores de D obtenidos por GPC para nanoestructuras altamente ramificadas deben ser considerados cuidadosamente 24,25. La observación de picos, uniformes monomodales sugiere una estrecha distribución de los radios de partículas.tp_upload/50874/50874fig2highres.jpg "target =" _blank "> Haga clic aquí para ver la imagen más grande.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

La principal ventaja de la síntesis de BASP-brush primera es la capacidad única para sintetizar rápidamente nanoestructuras de tamaño y composición diversa en paralelo sin necesidad de equipo especializado. En este estudio, se demuestra el método sintético-cepillo primero usando un macromonómero norborneno funcionalizado de PEG (B, Figura 1) y un bis-éster de norborneno nitrobencilo reticulante (C, Figura 1). Las cadenas de PEG de B imparten solubilidad en agua a la estructura final BASP. El agente de reticulación basado-nitrobencilo es fotodegradable.

Este procedimiento general se puede modificar para MMS y otros agentes de reticulación basados ​​exo-norborneno. Hemos preparado BASPs de varias combinaciones de ambos. Por ejemplo, hemos utilizado MMS basados-norborneno-PEG que llevan diferentes fármacos contra el cáncer, nitróxidos, y de resonancia magnética agentes de contraste de formación de imágenes 27. También hemos utilizado MMS que comprenden polímeros distintos de PEG. En nuestra experiencia, el método de cepillo primero se puede aplicar a casi cualquier imida exo-norborneno funcional terminado MM. En los casos en que no se alcanzan altas conversiones de MM a BI (> 95%), una impureza MM es la causa más probable (a diferencia de actividad catalítica). Purificación más riguroso como se indica en este informe (HPLC prep) por lo general conduce a ROMP éxito. Tenga en cuenta que no hemos intentado polimerizaciones ROMP con MM que llevan grupos funcionales desprotegidos que son conocidos por interferir con el catalizador A (por ejemplo, aminas libres, olefinas, azidas, etc.) Estos grupos pueden ser introducidos después de la síntesis-brush primero a través de la modificación post-polimerización 27. Por ejemplo, hemos preparado azida-BASPs de MMS de halogenuros de alquilo que se convirtieron a azidas después de la formación BASP. Estos azidas fueron utilizados para cicloadición "click catalizada por Cu-azida y alquino# 34; reacciones.

Hemos tratado de estudiar el impacto del MM pureza con más detalle. Pequeñas cantidades de MM residual y BI siempre se observaron en GPC traza cuando se llevaron a cabo reacciones de cepillo primero usando MM preparó a partir comercialmente disponible de PEG-NH 2 (B1, Figura 2a). Habíamos aprendido por experiencia que los MM completamente puros generalmente dan conversión cuantitativa MM. Además, nos habíamos dado cuenta de que la cantidad de MM residual varía dependiendo del número de lote del comercial PEG-NH 2. Se sospecha que un no-funcional PEG-NH 2 impureza, tal vez simplemente PEG diol, fue el responsable de la aparente impureza MM residual. Por lo tanto, se utilizó HPLC preparativa para purificar B1 dar MM B2 pura Figura 2b muestra que este proceso de purificación, efectivamente, disminuir la cantidad de MM residual (estrella anaranjada) aproximadamente dos veces;. Que no remove por completo. Curiosamente, B2 dio una conversión más alta de BI para BASPs así, tal vez una impureza que dio lugar a la desactivación del catalizador se eliminó mediante HPLC prep. Todavía insatisfecho con la cantidad de MM residual, seguimos procedimientos de la bibliografía para la síntesis de PEG-NH 2 a través de la polimerización aniónica de óxido de etileno a partir de etanolamina (PRECAUCIÓN: El óxido de etileno debe ser manejado por personal entrenado, químicos experimentados, es un muy inflamable, explosivo , y el gas tóxico!). 22,23 mm preparado a partir de este hecho en casa de PEG-NH2 (B3) dio mejores resultados en comparación con los MM comerciales. El análisis por GPC de los BASPs correspondientes no mostró MM residual detectable y muy poco (<1%) residual de BI (Figura 2c). Por lo tanto, si se requieren BASPs de alta pureza se recomienda utilizar el más puro posible MM. Tenga en cuenta que MM de BI residual y pueden ser fácilmente retirados delos más grandes a través de BASPs diálisis después de la síntesis-brush primero.

También hemos utilizado agentes de reticulación distintos de C. Por ejemplo, hemos preparado BASPs de complejos de metal bisnorbornene, iniciadores de polimerización, enlazadores escindibles de ácido, y anfitriones supramoleculares. Encontramos que reticulantes con separadores rígidos entre los norbornenos tienden a proporcionar los BASPs más uniformes; reticulantes de este tipo son menos propensos a sufrir reacciones de ciclación intramolecular que consumen norbornenos pero no contribuyen al crecimiento de BASP.

Independientemente de la combinación MM y reticulante, nos encontramos con las siguientes prácticas generales conducirán a la mayor probabilidad de éxito-brush primero. En primer lugar, antes de intentar la síntesis de cepillo de primera con monómeros de nueva síntesis, le recomendamos hacer el polímero cepillo DP = 10 solo y, posiblemente, los polímeros de pincel más largas con DP = 25 y 50. Si estas pruebas tienen éxito, hay una excelente posibilidad de que el cepillo de primeramétodo también tendrá éxito. En segundo lugar, la concentración ideal para la polimerización-cepillo primero depende de la composición química de monómeros y la estructura de los componentes. Recomendamos probar unas cuantas concentraciones en pequeña escala antes de hacer un gran lote de BASP. En tercer lugar, las polimerizaciones llevadas a cabo en diclorometano o tetrahidrofurano parecen dar los mejores resultados; monómeros que son solubles en estos disolventes son ideales. Como se discutió anteriormente, si el agente de reticulación es poco soluble en estos disolventes se recomienda la adición de como un sólido en lugar de añadir disolvente adicional. Mientras el MM es soluble, nos encontramos con que la reticulación trae el agente de reticulación completamente en solución en cuestión de minutos. En cuarto lugar, aunque la polimerización no requiere condiciones inertes, se recomienda el almacenamiento del catalizador bajo atmósfera inerte para aumentar su vida útil. Es importante destacar que, el catalizador se descompone con el tiempo en solución, la solución de catalizador se debe preparar fresco a partir de la tercera generación de Grubbs CATalyst cada vez que se realiza una serie de reacciones de ROMP. Finalmente, la cantidad de agente de reticulación requerida para BASPs uniformes variará ampliamente con agente de reticulación y la estructura MM. Como se muestra en la Figura 2, 10 equivalentes de agente de reticulación C no es suficiente para proporcionar conversiones de BI completas. En otros casos, nos encontramos con que la adición de 1 equivalente de agente de reticulación, e incluso hasta el 40 equiv, da buenos resultados. Cada vez que un nuevo agente de entrecruzamiento se va a utilizar, le recomendamos ejecutar una serie de reacciones a pequeña escala con diferentes valores de N para identificar las cantidades óptimas de reticulante.

Como nota final, es importante reconocer que existen muchos métodos alternativos para la fabricación de polímeros en forma de estrella (core-primero el brazo, primero, etc) 25, 26. Cada método tiene ventajas y desventajas, tales como límites al tamaño, requisitos de purificación, y compatibilidad del grupo funcional. Nosotros sostenemos que la amplia tolerancia de grupo funcional de ROMP,la facilidad de síntesis de los monómeros funcionales basados ​​en norborneno, y la capacidad de realizar reacciones de ROMP en la mesa de trabajo rápidamente, en paralelo, y a temperatura ambiente, hacer que el enfoque de ROMP-cepillo primero digno de consideración para una variedad de aplicaciones. En el futuro, vamos a seguir para el desarrollo de este método y BASP nanoarquitecturas para diversas aplicaciones, incluyendo drogas y la entrega de genes, imagen celular, y auto-ensamblaje. El potencial de estas nuevas partículas, y su capacidad de síntesis combinatoria, aún no se ha explorado.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgements

Agradecemos al Departamento de Química del MIT y el Comité Conceptos MIT Lincoln Labs de avanzada para apoyar este trabajo.

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