Particelle senza scatola: Brush-first Sintesi di fotodegradabili PEG Stelle Polymers in condizioni ambientali

Chemistry

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Summary

Poli (glicole etilenico) (PEG) polimeri pennello braccio stella (BASPs) con distribuzione della massa strette e dimensioni nanoscopiche accordabili sono sintetizzati in via di apertura anello metatesi polimerizzazione (ROMP) di un macromonomero PEG-norbornene seguita da trasferimento di porzioni di vita risultanti spazzola iniziatore di flaconi contenenti diverse quantità di una rigida, foto-scindibile bis-norbornene crosslinker.

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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

Metodi suggeriti per la rapida sintesi parallela di nanoparticelle funzionalizzate diversamente consentiranno scoperta di nuove formulazioni per la somministrazione di farmaci, imaging biologico, e catalisi supportato. In questo rapporto, dimostriamo sintesi parallela di pennello-braccio polimero star (BASP) nanoparticelle dal "pennello-first" metodo. In questo metodo, un poli-norbornene terminato (etilene glicole) (PEG) macromonomero (PEG-MM) è polimerizzata prima via metatesi polimerizzazione per apertura di anello (ROMP) per generare un macroiniziatore pennello vivente. Aliquote di questa soluzione madre iniziatore vengono aggiunti fiale che contengono diverse quantità di una fotodegradabili bis-norbornene crosslinker. L'esposizione a reticolante avvia una serie di pennello cineticamente controllata + pennello e reazioni di accoppiamento stella + stella che produce alla fine BASPs con nuclei composti da reticolante e corone composto da PEG. La dimensione finale BASP dipende dalla quantità di reticolante aggiunto. Svolgiamo il syntesi di tre BASPs sul banco senza particolari accorgimenti per rimuovere aria e umidità. I campioni sono caratterizzati mediante cromatografia a permeazione di gel (GPC), risultati concordati a stretto contatto con la nostra precedente relazione che utilizzava (vano portaoggetti) condizioni inerti. Caratteristiche principali pratiche, vantaggi e potenziali svantaggi del metodo pennello prima sono discussi.

Introduction

Nanoparticelle polimeriche sono stati ampiamente studiati per il loro potenziale utilizzo come piattaforme per la consegna della droga, catalisi supportati, imaging biologico e self-assembly 1-3. Le moderne applicazioni richiedono che siano sintesi di nanoparticelle facile, riproducibile, compatibile con la funzionalità chimiche, e suscettibili di diversificazione 4,5. Apertura dell'anello metatesi polimerizzazione (ROMP) di olefine tese è un potente metodologia per la sintesi di nanostrutture polimeriche funzionali con dimensioni controllate e distribuzione della massa strette 1,6-8. Ad esempio, norbornene funzionalizzati poli (etilene glicole) (PEG) macromonomeri (MMS) può essere efficientemente polimerizzato tramite ROMP per generare polimeri idrosolubili bottiglia-pennello. Usando questo approccio, nanostrutture che trasportano molecole multiple rilasciabili farmacologiche, fluorofori, agenti spin-contrasto possono essere preparati rapidamente e in parallelo 6, 9, 10.

ROMP è stato utilizzato anche per la sintesi "arm-first" di polimeri a stella. Nel metodo braccio prima, polimeri lineari sono reticolati con un agente reticolante polifunzionale che invia nanostrutture sferiche con le braccia polimerici. Schrock e colleghi hanno riportato il primo braccio-ROMP prima sintesi di polimeri a stella mediante reticolazione di norbornene, dicarbomethoxynorbornadiene, e trimetilsilil protetto dicarboxynorbornene polimeri lineari con norbornene reticolante bifunzionale. 11, 12 Buchmeiser ha esteso tale metodologia per la sintesi di materiali con un gamma di applicazioni che includono catalisi sostenuto, ingegneria tessutale, e la cromatografia 13-17. Otani e collaboratori hanno fatto di nanoparticelle polimeriche stelle con superfici funzionali attraverso una strategia correlate "in-out" polimerizzazione 18, 19.

La maggior parte delle polimerizzazioni braccio-first implicano una complessa interazione di monomero, polimero, e accoppiamento stella reazioni. The quest'ultimo procede attraverso un meccanismo di step-crescita che porta normalmente a larga peso molecolare (MW) distribuzioni. Per superare questa limitazione in trasferimento atomo reazioni di polimerizzazione radicali braccio-first correlate, Matyjaszewski e collaboratori eseguito braccio prima reticolazione di MM polimeriche preformate per fornire polimeri a stella con le distribuzioni MW molto strette 20. In questo caso, la maggior parte sterico dei MM, e la maggiore rapporto di armi stella all'iniziazione siti, inibiti i processi di accoppiamento stella + stella scarsamente controllato, e ha portato a una vita, meccanismo di crescita della catena.

Quando abbiamo tentato la stessa strategia nel contesto di ROMP con un norbornene terminazione PEG-MM e un reticolante bis-norbornene, sono stati ottenuti polimeri a stella con molto ampi, MW distribuzioni multimodali. Questo risultato suggerisce che in questo sistema solo il MM non era sufficientemente ingombrante per inibire stella + accoppiamento stella. Per aumentare la sterico dei bracci a stella, e potenzialmente limitare questo uncontroLLED accoppiamento, abbiamo tentato di polimerizzare prima il MM per formare polimeri bottiglia-pennello in assenza di reticolante e quindi aggiungere il reticolante. Siamo stati lieti di constatare che, in determinate condizioni, il "pennello-first" metodo fornito l'accesso diretto ai "polimeri a stella pennello a braccio" (BASPs) con distribuzioni MW strette e nucleo sintonizzabile e funzionalità corona.

Recentemente abbiamo riportato la spazzola prima sintesi ROMP di BASPs PEG utilizzando Grubbs 3a generazione catalizzatore A (Figura 1) 21. In questo lavoro, l'esposizione di PEG-MM B di catalizzatore A generato un pennello macroiniziatore giorno con lunghezza backbone definito (B1, Figura 1). Trasferimento delle aliquote della B 1 di fiale che contengono diverse quantità di reticolante C ha avviato BASPFormazione. L'MW, e quindi la dimensione, delle BASPs aumentavano esponenzialmente con la quantità di C aggiunte. Abbiamo fornito una ipotesi meccanicistica di questo processo di crescita geometrica e dimostrato che funzionali, core-e BASPs corona marcato nitrossido potrebbero essere facilmente preparati, senza la necessità di misure di modifica post-polimerizzazione di monomeri o aggiunte sequenziali. Tuttavia, in tutti gli esempi riportati, eravamo preoccupati per la disattivazione del catalizzatore, abbiamo effettuato tutte le reazioni sotto N 2 atmosfera all'interno di un cassetto portaoggetti.

Poiché il nostro rapporto iniziale, abbiamo trovato che il metodo spazzola prima è molto efficace per la formazione di BASPs da una vasta gamma di MM norbornene-terminato e reticolanti funzionali. Abbiamo inoltre scoperto che il metodo può essere eseguito sul bancone senza particolari accorgimenti per rimuovere l'aria o umidità.

Qui, sarà Sy una serie di tre BASPs di MWs differentinthesized dal metodo spazzola prima sotto condizioni ambientali. In breve, 10 equivalenti di B saranno esposti a 1.0 equivalenti di catalizzatore A (Figura 1a) per 15 min per ottenere un BI con un grado medio di polimerizzazione (DP) di 10. Tre aliquote di questo lotto di BI saranno trasferiti alla flaconcini separati contenenti 10, 15, e 20 equivalenti (N, figura 1b) C. Dopo 4 ore, le polimerizzazioni saranno spente mediante aggiunta di etil vinil etere. Le MWs polimero stelle e distribuzioni MW saranno caratterizzati utilizzando uno strumento cromatografia a permeazione di gel equipaggiato con un rivelatore laser light scattering multi-angolo (GPC-MALLS).

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Protocol

Per prima cosa descriviamo la sintesi e la purificazione di PEG-MM B da 3 kDa O-(2-amminoetil) polietilenglicole (PEG-NH 2) e norbornene-N-hydroxysuccinimidyl (NHS) estere. Il primo composto può essere acquistato da Sigma Aldrich Inc., o preparata mediante polimerizzazione anionica secondo procedure letteratura 22,23. Quest'ultimo composto può essere preparato in due fasi secondo una procedura pubblicata 21. Prossimo descriviamo una sintesi di catalizzatore A da disponibile in commercio Grubbs 2 catalizzatore di seconda generazione. Abbiamo poi illustrato l'utilizzo di questo complesso di spazzola prima sintesi BASP. Dettagli Questo esperimento della procedura di messa BASPs con N = 10, 15, e 20 da una BI con DP = 10. Tutte le reazioni sono state eseguite in una cappa aspirante con fiale di scintillazione standard.

ATTENZIONE: Indossare sempre guanti, camice e laboratorioocchiali, e seguire le pratiche comuni di sicurezza di laboratorio quando si lavora con sostanze chimiche pericolose. Qualsiasi solvente organico deve essere gestito in una cappa aspirante. I solidi possono essere pesati su una bilancia al di fuori della cappa. Sostanze chimiche non devono venire a contatto con la pelle, gli occhi o la bocca. Si consiglia vivamente di leggere la scheda di sicurezza per ogni solvente e solidi utilizzati in questa procedura prima di iniziare.

1. Preparazione di PEG-MM B

  1. Aggiungi PEG-NH 2 (300 mg, 0,0001 mol, 1,0 eq) per una fiala di 40 ml di scintillazione dotato di ancoretta.
  2. Sciogliere il PEG-NH 2 in 3 ml di anidro N, N-dimetilformammide (DMF).
  3. Aggiungere 36 mg di norbornene-NHS estere (0,000105 mol, 1.05 eq) 21.
  4. Chiudere la fiala e agitare la miscela di reazione per una notte a temperatura ambiente.
  5. Rimuovere l'ancoretta e aggiungere dietil etere alla soluzione di reazione per precipitare il PEG-MM B.
  6. Filtrare l'influenza biancoFFY precipitato e lavare a lungo con etere etilico. In alternativa, trasferire la sospensione in un tubo da centrifuga 50 m, centrifugare a 4000 rpm per 5 min a temperatura ambiente, e poi decantare il surnatante. Aggiungi etere fresco etere, centrifugare e decantare nuovamente. Si consiglia di ripetere questa procedura 3 volte per un totale di 5x.
  7. Essiccare il precipitato sotto vuoto per 24 ore per rimuovere i residui di etere etilico.

2. Purificazione di PEG-MM

Nella nostra precedente relazione, il PEG-MM B venne preparato dalla commercialmente disponibile PEG-NH 2 ed è stato utilizzato per la sintesi BASP senza ulteriore purificazione dopo essiccazione (cioè dopo passo 1.7). In questo studio, variamo il PEG-NH 2 Fonte (commercio contro fatti in casa), e confrontiamo i risultati di formazione BASP prima e dopo più rigorosa cromatografia preparativa liquida ad alta prestazione (prep-HPLC) MM purificazione. Nel resto di questo studio, il drMM IED ottenuto dopo passo 1.7 è indicato come B1. Prep-HPLC è stata utilizzata per purificare B1 per dare B2. Un analogo prep-HPLC MM purificato sintetizzati nel nostro laboratorio tramite polimerizzazione anionica è denominato B3. Prep-HPLC è stata eseguita utilizzando un Beckmann Coulter HPLC (modulo solvente 127P e modulo rivelatore 166p) con un ciclo campione di 1 ml e una colonna a fase inversa ZORBAX 300SB-C18 PrepHT a temperatura ambiente.

  1. Set-up HPLC con il solvente A: (sistema di depurazione Millipore, 18.2 Ω), acqua deionizzata con 1% di acido acetico; solvente B: acetonitrile.
  2. Pompe principali ed equilibrare colonna con 95% A e 5% B.
  3. Sciogliere PEG-MM in acetonitrile o metanolo (150 mg / ml).
  4. Filtrare attraverso un filtro a siringa Nylon 13 millimetri 0,45 micron.
  5. Imposta il metodo HPLC:
    - Portata: 20 ml / min
    - 0-1 min: gradiente lineare al 10% B e 90% Un
    - 1-10 min: linear pendenza al 90% B e 10% Un
    - 10-13 min: interruttore per condizioni iniziali (5% B e il 95%) e riequilibrare colonna
    - Impostare rivelatore UV per rilevare assorbanza a 256 nm
  6. Caricare 0,8 ml di campione sul loop del campione.
  7. Iniettare campione.
  8. Raccogliere il picco di assorbanza maggiore (nelle condizioni specificate, il prodotto eluisce tra 5-7 min).
  9. Ripetere se necessario. Combinare frazioni pure insieme in un pallone a fondo tondo.
  10. Rimuovere tutto il solvente tramite evaporazione rotante.
  11. Ridisciogliere il prodotto in diclorometano e aggiungere solfato di sodio. Scuotere o agitare il pallone periodicamente per ≅ 1 ora delicatamente.
  12. Filtrare la miscela utilizzando un filtro di vetro sinterizzato.
  13. Concentrare tramite evaporazione rotante. Secco sotto vuoto durante la notte.
  14. Il PEG-MM può essere caratterizzato da 1 H-NMR in CD 2 Cl 2 (15-20 mg/0.7 ml CD 2 Cl 2, 500 MHz o superiore è raccomandato con oltre 128 scansioni e ritardo relax, d1= 2.0 sec), e MALDI-TOF utilizzando la modalità di ionizzazione positiva e 2 - (4-hydroxyphenylazo) acido benzoico come matrice MALDI.
  15. Il PEG-MM può essere conservato per mesi in una fiala di scintillazione a 4 ° C.

3. Preparazione catalizzatore A

  1. Aggiungi Grubbs 2 catalizzatore di seconda generazione (500 mg, 0,589 mmol) per un ml fiala 20 dotato di ancoretta.
  2. Aggiungi piridina (circa 0,474 ml, 5,89 mmol, 10 eq) per flaconcino. Il colore soluzione deve cambiare immediatamente dal rosso al verde. Lasciare la reazione a mescolare fino a tutto colore rosso è scomparso e la soluzione è diventata viscosa (15-30 min).
  3. Riempire il flaconcino di reazione con pentano freddo per precipitare complessa A.
  4. Filtrare la sospensione per raccogliere il precipitato verde (catalizzatore A). Lavare 4x con 15 ml di pentano freddo.
  5. Asciugare il verde solido sotto vuoto durante la notte.
  6. Complesso A può essereconservato per mesi a temperatura ambiente in un essiccatore banco senza significativa perdita di attività. Per ulteriore precauzione, di solito salviamo il complesso in un freezer a -20 ° C all'interno di un cassetto portaoggetti. Importi Per comodità, abbiamo pre-pesiamo nota di un in 4 fiale ml scintillazione subito dopo essiccazione (fase 3.5). Abbiamo poi memorizzare queste fiale nel cassetto portaoggetti freezer. Quando si è pronti per eseguire una reazione ROMP, semplicemente prendiamo un flaconcino fuori del cassetto portaoggetti e usiamo come descritto di seguito (punto 4.4).

4. Preparazione della soluzione stock di Living Brush Polymer (BI) con DP = 10

  1. In un flaconcino da 3 ml con tappo a vite a tenuta di gas dotata di ancoretta, pesare 65 mg (0,020 mmol, 10 eq) di MM B. Tale quantità corrisponde a 20 mg di MM per ciascuno dei 3 diverse dimensioni di BASPs, e 5 mg avanzi per analisi GPC del BI. Utilizzare una spatola per aggiungere il MM direttamente al fondo della fiala. Try per impedire al materiale di aderire alle pareti del flaconcino come questo scenario potrebbe portare alla contaminazione MM nel prodotto finale BASP.
  2. Sciogliere il MM B in 158 ml di THF. Chiudere immediatamente il flacone dopo l'aggiunta THF per evitare l'evaporazione del solvente. Nota: La concentrazione finale di MM durante la polimerizzazione dovrebbe essere 0,05 M. Se si aggiunge qui 158 ml di THF, poi 243 ml di soluzione di catalizzatore, punto 4.4, verrà aggiunto per dare 401 ml di THF totale, che corrisponde a [MM ] = 0.05 M. La quantità di solvente durante questa fase può essere variata, purché la quantità di solvente durante la fase 4.4 viene anche variata per dare [mm] 0.05. Abbiamo scoperto che polimerizzazioni effettuate con [MM] <0.05 volte non procedere alla conversione totale.
  3. Lasciate che la soluzione mescolare fino a quando tutto il MM è sciolto. Scaldare leggermente se necessario. Evitare schizzi la soluzione viscosa sui lati o il tappo del flacone.
  4. Successivamente, aggiungere una quantità nota (2.8mg per questo esempio) di catalizzatore A per un ml flacone 3 (o avere un flaconcino con pre-pesato catalizzatore A). Aggiungere THF anidro (466 ml in questo esempio) per dare una soluzione di 6 mg / ml di catalizzatore. Tappare immediatamente la fiala. Lasciare che il catalizzatore per sciogliere completamente,. Scuotere delicatamente il flacone, se necessario Questa soluzione di catalizzatore deve essere utilizzata immediatamente per ROMP. Nota 1: La soluzione del catalizzatore dovrebbe essere un colore verde bosco. Se è nero, o verde-bruno, allora è probabile decomposto, e probabilmente non darà risultati soddisfacenti ROMP. In caso di decomposizione, suggeriamo preparando catalizzatore fresco (secondo la precedente sezione 3), oppure utilizzando THF distillato di fresco. Nota 2: La quantità di THF aggiunto A è scelta in modo che la finale [mm] è ~ 0,05. Questa quantità può essere regolata, purché adeguamenti compensativi sono fatti per la soluzione MM in fase 4.2.
  5. Aggiungere 243 ml (1,46 mg, 1 eq di B BI impurità in finale BASP.
  6. Immediatamente il cappuccio della fiala e lasciare l'agitazione della miscela di reazione per 15 minuti per formare il macroiniziatore spazzola (BI).

5. Formazione di BASPs

  1. Aggiungere 3,6 ± 0,1 mg (6,18 mmol, 10 eq alla quantità di BI da trasferire nel passo 5.2), 5,5 ± 0,1 mg (9.28μmol, 15 eq alla quantità di BI da trasferire nel passo 5.2), e 7,3 ± 0,1 mg (12.4μmol, 20 eq alla quantità di BI da trasferire nel passaggio 5.2) di reticolante C per tre separati 3 ml flaconcini dotati di agitatori. Prova a pesare il reticolante direttamente sul fondo della fiala per impedire al materiale di aderire alle pareti del flaconcino. Nota: Crosslinker C non è molto solubile in THF. Per questo motivo, il solido viene utilizzato direttamente in questa fase. Nei casi in cui il reticolante è solubile, poi una soluzione madre concentrata di reticolante può essere fatta e diverse quantità di questa soluzione può essere trasferito in fiale. Anche in questo caso, la concentrazione delle polimerizzazioni finale deve essere> 0,05 M; se il solvente viene aggiunto il reticolante poi una riduzione compensativa del solvente deve essere effettuato altrove.
  2. Aggiungere 123 ml (0,618 mmol) della soluzione di BI per ciascuna delle tre flaconi contenenti C. Cercate di mantenere la punta dell'ago appena sopra il reticolante solido quando si aggiunge al flaconcino. Aggiungere la soluzione BI tutto in una volta, piuttosto che a gocce.
  3. Tappare le provette e mescolare le reazioni RT per finocompletamento. Con questa MM combinazione specifica reticolante, la reazione è completa in ~ 4 h; continua agitazione per un massimo di 24 ore ha alcun effetto rilevante sulla crescita BASP. Controllo da GPC per garantire la completa conversione di BI.
  4. Quench le reazioni aggiungendo una goccia di etil vinil etere per il restante soluzione di BI e ciascuno degli n = 10, 15, e 20 miscele di reazione BASP. Mescolare per 10 minuti per garantire la completa estinzione.

6. GPC Preparazione del campione

I risultati GPC-centri commerciali sono stati ottenuti su un sistema Agilent 1260 LC dotato di una colonna Shodex GPC KD-806m, un rivelatore di Wyatt Alba Heleos-II CENTRI COMMERCIALI, ed un rivelatore dell'indice di rifrazione Wyatt Optilab t-rex a temperatura ambiente. DMF con 0,025 M LiBr ad una portata di 1,0 ml / min è stato usato come eluente. I risultati sono stati analizzati usando il software Astra 6 fornito da Wyatt.

  1. Usando una nuova pipetta di vetro per ogni flaconcino di reazione, Immergere la punta della pipetta nella soluzione di reazione di redigere un piccolo campione della reazione. Lavare l'interno della pipetta con 250 microlitri di 0,025 M LiBr in DMF per dare una concentrazione finale di circa 3 mg / ml.
  2. Filtrare il campione diluito attraverso un filtro da 0,45 micron politetrafluoroetilene prima di depositare il campione in una fiala GPC.
  3. Set-up GPC-centri commerciali corre e analizzare i risultati una volta che le piste sono state completate.

Elenco delle abbreviazioni:

A: Grubbs 3a generazione catalizzatore bis-piridina

B: poli (etilene glicole) (PEG) macromonomero (MM)

B1: PEG MM preparato utilizzando disponibile in commercio (Aldrich) PEG-NH 2 e utilizzato senza purificazione HPLC.

B2: PEG MM preparato utilizzando disponibile in commercio (Aldrich) PEG-NH

B3: PEG MM preparata con nuova sintesi PEG-NH 2 e usato dopo la purificazione HPLC.

BASP: polimero stella brush-braccio

BI: soggiorno pennello iniziatore

C: crosslinker fotodegradabili

Ð: indice dispersità massa molare

DMF: N, N-dimetilformammide

DP: numero medio di polimerizzazione di laurea

GPC: cromatografia a permeazione di gel

Prep-HPLC: cromatografia liquida ad alta prestazione preparativa

CENTRI COMMERCIALI: multi-angolo di scattering di luce laser

MM: macromonomero

MW: peso molecolare

M w: peso mo mediomassa lar

N: numero di equivalenti di reticolante (rapporto di C ad A)

SSN: N-hydroxysuccinimidyl

PEG: polietilene glicole

PEG-MM: norbornene-PEG macromonomero (noto anche come composto B)

ROMP: anello di apertura metatesi polimerizzazione

THF: tetraidrofurano

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Representative Results

Figura 2 mostra GPC traccia per una varietà di BASPs preparati B1, B2, e B3. In tutti i casi, i dati mostrano che aumentando gli equivalenti di reticolante (N) porta ad un aumento delle dimensioni del BASP. Come osservato nella nostra precedente relazione, 10 equivalenti di reticolante non è sufficiente per conseguire BASPs uniformi; N = 10 campione mostra una traccia GPC chiaramente multimodale con una grande quantità di polimero pennello residuo specialmente nel caso di non purificata MM B1 ( Figura 2a). Una maggiore quantità di reticolante comportano distribuzioni MW uniformi con poco pennello residuo e MM. La massa molare medio ponderale (M w) raddoppia nel passare da N = 15 - 20. Nel caso di B3, nessun MM residuo e meno dell'1% residuo BI rimane per il N = 15 e N = 20 casi.

Figura 1
Figura 1. Schema per Brush-Arm stelle Polymer (BASP) Sintesi. Panel (a) illustra la sintesi di Grubbs '3 ° generazione bispyridine catalizzatore (A) disponibile in commercio Grubbs' 2 catalizzatore ° generazione. Sono anche mostrate le strutture del PEG-MM (B) e reticolante (C) utilizzato in questo lavoro. Pannello (b) mostra un diagramma schematico del processo pennello prima. Polimerizzazione di PEG-MM (B) con il catalizzatore (A) genera un 10-gruppo spazzole soggiorno iniziatore (BI), che viene quindi aggiunto al reticolante (C) con conseguente formazione di un BASP. ig1highres.jpg "target =" _blank "> Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.

Figura 2
Figura 2. Risultati rappresentativa GPC del N = 10, 15, e 20 BASPs preparato da vari PEG MMS. Pannelli (a), (b) e (c) rappresentano dati MMS B1, B2, e B3, rispettivamente. Impurità dal professionale PEG-NH 2, che non ha reagito MM, e residui di BI sono contrassegnati con un asterisco. I valori M indice w e dispersità (D) sono forniti nelle tabelle dell'inserzione. Si noti che i valori Ð ottenuti mediante GPC per nanostrutture altamente ramificati devono essere considerati con cautela 24,25. L'osservazione di monomodali, picchi uniformi suggerisce una stretta distribuzione dei raggi particella.tp_upload/50874/50874fig2highres.jpg "target =" _blank "> Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.

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Discussion

Il vantaggio principale di spazzola prima sintesi BASP è la capacità unica di sintetizzare rapidamente nanostrutture di dimensioni diverse e la composizione in parallelo senza necessità di attrezzature specializzate. In questo studio, dimostriamo il metodo sintetico pennello prima utilizzando un norbornene funzionalizzato macromonomero PEG (B, Figura 1) e una bis-norbornene estere nitrobenzil reticolante (C, Figura 1). Le catene di PEG da B conferiscono solubilità in acqua per la struttura finale BASP. Il reticolante a base di nitrobenzil-fotodegrada.

Questa procedura generale può essere modificato per altri MM e reticolanti a base di exo-norbornene. Abbiamo preparato BASPs tra diverse combinazioni di entrambi. Ad esempio, abbiamo usato MM-based norbornene-PEG che portano diversi farmaci anti-cancro, nitrossidi, e la risonanza magnetica agenti di contrasto per immagini 27. Abbiamo usato anche gli MMS costituiti da polimeri diversi PEG. Nella nostra esperienza, il metodo spazzola prima può essere applicato a quasi qualsiasi funzionale exo-norbornene immide terminato MM. Nei casi in cui alte conversioni di MM a BI (> 95%) non vengono raggiunti, impurezza MM è la causa più probabile (al contrario di attività catalitica). Depurazione più rigorosa come indicato nella presente relazione (prep-HPLC) porta normalmente a ROMP successo. Si noti che non abbiamo tentato polimerizzazione scatenarsi con MM che portano gruppi funzionali non protetti che sono noti per interferire con catalizzatore A (es. ammine libere, olefine, azidi, ecc.) Questi gruppi possono essere introdotte dopo la sintesi spazzola prima via post-polimerizzazione modifica 27. Ad esempio, abbiamo preparato azide-BASPs da MM alogenuri alchilici che sono stati convertiti in azidi dopo la formazione BASP. Questi azidi sono stati utilizzati per Cu-catalizzata azide-alchino cicloaddizione click "&# 34; reazioni.

Si è cercato di studiare l'impatto di MM purezza più dettagliatamente. Piccole quantità di residuo MM e BI sono sempre stati osservati in GPC tracce quando reazioni spazzola prima sono state effettuate utilizzando MM preparato da disponibile in commercio PEG-NH 2 (B1, Figura 2a). Abbiamo imparato dall'esperienza che l'MMS completamente puri generalmente danno conversione MM quantitativa. Inoltre, abbiamo notato che la quantità di residuo MM variata in funzione del numero di lotto del commercio PEG-NH 2. Abbiamo il sospetto che una non funzionale PEG-NH 2 impurità, forse semplicemente PEG diol, è stato responsabile per l'apparente MM impurità residue. Pertanto, abbiamo utilizzato prep-HPLC per purificare B1 per dare puro MM B2 Figura 2b mostra che questo processo di purificazione ha effettivamente diminuire la quantità di MM residuo (stella arancione) circa due volte,. Non ha remove completamente. È interessante notare che, B2 ha dato maggiore conversione di BI per BASPs così, forse un'impurità che ha portato alla disattivazione del catalizzatore è stato rimosso tramite prep-HPLC. Ancora insoddisfatto con la quantità di MM residuo, abbiamo seguito i metodi di letteratura per la sintesi di PEG-NH 2 tramite polimerizzazione anionica dell'ossido di etilene da etanolammina (ATTENZIONE: ossido di etilene deve essere gestito da personale qualificato, chimici esperti, ma è altamente infiammabile, esplosiva e gas tossici!). 22,23 MM preparata da questa casalingo PEG-NH 2 (B3) ha prodotto risultati migliori rispetto alle MM commerciali. Analisi GPC dei BASPs corrispondenti mostrato alcun rilevabile MM residuo e molto poco (<1%) residuo BI (figura 2c). Quindi, se sono necessarie BASPs elevata purezza si consiglia di utilizzare il più puro possibile MM. Si noti che residua MM BI e possono essere facilmente rimossi dalle BASPs più grandi in dialisi dopo la sintesi pennello-first.

Abbiamo usato anche crosslinkers diverse da C. Ad esempio, abbiamo preparato BASPs da complessi bisnorbornene metallici, iniziatori di polimerizzazione, linker acido-scindibile e host supramolecolari. Troviamo che crosslinkers con distanziali rigidi tra le norborneni tendono a fornire le BASPs più uniformi; tali crosslinkers hanno meno probabilità di subire reazioni di ciclizzazione intramolecolare che consumano norborneni ma non contribuiscono alla crescita BASP.

Indipendentemente dalla combinazione di MM e crosslinker, troviamo le seguenti pratiche generali porterà alla più alta probabilità di successo spazzola prima. In primo luogo, prima di tentare la sintesi spazzola prima con monomeri di nuova sintesi, si consiglia di effettuare il polimero DP = 10 pennello da solo e forse polimeri pennello più lunghi con DP = 25 e 50. Se questi test avranno successo, ci sono ottime possibilità che il pennello-firstmetodo sarà anche successo. In secondo luogo, la concentrazione ideale per la polimerizzazione spazzola prima dipende dalla composizione chimica monomero e struttura dei componenti. Si consiglia di testare alcune concentrazioni su piccola scala prima di fare una grande partita di BASP. Terzo, polimerizzazioni condotte in diclorometano o tetraidrofurano sembrano dare i migliori risultati; monomeri solubili in questi solventi sono ideali. Come discusso in precedenza, se il reticolante è scarsamente solubile in questi solventi si consiglia di aggiungerlo come solido anziché aggiungere solvente supplementare. Finché il MM è solubile, troviamo che la reticolazione porta il reticolante completamente in soluzione in pochi minuti. In quarto luogo, se la polimerizzazione non richiede condizioni inerti, si consiglia di stoccaggio del catalizzatore sotto atmosfera inerte per aumentare la durata. È importante sottolineare che il catalizzatore si decompone nel tempo in soluzione, la soluzione di catalizzatore deve essere preparato fresco dalla Grubbs terza generazione catalyst ogni volta che viene eseguita una serie di reazioni ROMP. Infine, la quantità di reticolante richiesto per BASPs uniformi varierà ampiamente reticolante e struttura MM. Come mostrato in Figura 2, 10 equiv di reticolante C non è sufficiente per fornire conversioni BI complete. In altri casi, troviamo che l'aggiunta di 1 equiv di reticolante, e anche fino a 40 equiv, offre buoni risultati. Ogni volta che un nuovo reticolante deve essere utilizzato, si raccomanda di eseguire una serie di reazioni su piccola scala con diversi valori di N per identificare quantità ottimale reticolanti.

Come nota finale, è importante riconoscere che esistono molti metodi alternativi per ottenere i polimeri a stella (core-primo braccio che prima, ecc) 25, 26. Ogni metodo ha vantaggi e svantaggi, quali limiti alle dimensioni, requisiti di depurazione, e la compatibilità gruppo funzionale. Noi sosteniamo che l'ampia tolleranza gruppo funzionale di ROMP,la facilità di sintesi di monomeri funzionali a base di norbornene-, e la capacità di effettuare reazioni ROMP sul bancone rapidamente, in parallelo, ed a temperatura ambiente, portare l'approccio ROMP spazzola prima considerazione vale per una varietà di applicazioni. In futuro, continueremo a sviluppare questo metodo e BASP nanoarchitetture per varie applicazioni, tra cui droga e la consegna del gene, l'imaging cellulare e self-assembly. Il pieno potenziale di queste nuove particelle, e la loro capacità di sintesi combinatoria, deve ancora essere esplorato.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgements

Ringraziamo il Dipartimento di Chimica del MIT e del Comitato Concepts MIT Lincoln Labs avanzata per il supporto di questo lavoro.

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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