Particules sans boîte: Brush-première synthèse de photodégradables PEG étoiles polymères dans des conditions ambiantes

Chemistry

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Summary

Poly (éthylène glycol) (PEG) polymères brosse-bras étoiles (BASPs) des distributions de masse étroites et tailles nanoscopiques accordables sont synthétisés via ouverture de cycle polymérisation par métathèse (ROMP) d'un macromonomère PEG-norbornène suivie d'un transfert de parties de la vie résultant brosse initiateur de flacons contenant des quantités variées d'un rigide, photo-clivable bis-norbornène agent de réticulation.

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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

Méthodes pratiques pour la synthèse parallèle rapide des nanoparticules diversement fonctionnalisés permettront la découverte de nouvelles formulations pour l'administration de médicaments, imagerie biologique, et la catalyse supportée. Dans ce rapport, nous démontrons la synthèse parallèle de brosse-bras polymère en étoile (BASP) des nanoparticules par la méthode "brosse d'abord». Dans ce procédé, un poly-norbornène terminaison (éthylène glycol) (PEG) macromonomère (PEG-MM) est tout d'abord polymérisé via une polymérisation par métathèse par ouverture de cycle (ROMP) pour générer une macro-initiateur de la brosse de vie. Des portions de cette solution mère de l'initiateur sont ajoutés dans des flacons qui contiennent des quantités variées d'un photodégradables bis-norbornène agent de réticulation. L'exposition à la réticulation lance une série de brosse cinétique contrôlée + brosse et étoiles + étoiles réactions de couplage qui donne finalement BASPs avec des noyaux composés de l'agent de réticulation et couronnes composé de PEG. La taille finale BASP dépend de la quantité d'agent de reticulation ajouté. Nous réalisons la synthèse de trois BASPs sur la paillasse sans précautions spéciales pour éliminer l'air et de l'humidité. Les échantillons sont caractérisés par chromatographie par perméation de gel (GPC), les résultats concordent étroitement avec notre précédent rapport qui a utilisé la boîte à gants () des conditions inertes. Principales caractéristiques pratiques, les avantages et les inconvénients potentiels de la méthode de la brosse sont d'abord discutées.

Introduction

Nanoparticules polymériques ont été largement étudiés pour leur utilisation potentielle comme plates-formes pour l'administration de médicaments, la catalyse supportée, l'imagerie biologique, et l'auto-assemblage 1-3. Les applications modernes exigent que les synthèses de nanoparticules être facile, reproductible, compatible avec les fonctionnalités chimiques, et se prêtent à la diversification 4,5. Polymérisation par métathèse par ouverture de cycle (ROMP) de oléfines contraintes est une méthode puissante pour la synthèse de nanostructures polymères fonctionnels avec des tailles contrôlées et des distributions étroites de masse 1,6-8. Par exemple, le poly-norbornène fonctionnalisé (éthylène glycol) (PEG) macromonomères (MMS) peut être efficacement polymérisés via ROMP pour produire des polymères solubles dans l'eau de goupillon. En utilisant cette approche, les nanostructures qui portent de multiples molécules de médicaments libérables, des fluorophores, des agents de contraste spin-peuvent être préparés rapidement et en parallèle 6, 9, 10.

ROMP a également été utilisé pour la synthèse «arm-first» des polymères en étoile. Dans le procédé de bras et unième, des polymères linéaires sont réticulées avec un agent de réticulation multi-fonctionnel pour obtenir des nanostructures sphériques avec les bras polymères. Schrock et ses collaborateurs ont rapporté la première synthèse de polymères en étoile ROMP bras-première par réticulation de norbornène, dicarbomethoxynorbornadiene, et triméthylsilyle protégée dicarboxynorbornene polymères linéaires avec un norbornène réticulant bifonctionnel. 11, 12 Buchmeiser a étendu cette méthodologie pour la synthèse de matériaux à gamme d'applications qui incluent la catalyse supportée, l'ingénierie tissulaire, et la chromatographie 13-17. Otani et collègues ont fait des nanoparticules de polymères en étoile avec des surfaces fonctionnelles via une stratégie liée "in-out" polymérisation 18, 19.

La plupart des polymérisations de bras-première impliquent une interaction complexe de monomères, polymères, et couplage étoile réactions. The-ci procède par un mécanisme de croissance par étapes qui conduit généralement à large poids moléculaire (MW) de distributions. Pour contourner cette limitation en transfert d'atomes réactions connexes de polymérisation radicalaire de bras-première, Matyjaszewski et collègues effectuées bras-première réticulation de polymères préformés MMS pour fournir des polymères en étoile avec des distributions de MW très étroites 20. Dans ce cas, l'encombrement stérique des MMS, et l'augmentation du rapport de bras de étoiles à l'initiation des sites, inhibés processus de couplage étoile + étoiles mal contrôlées, et conduit à un mécanisme de croissance de la chaîne de la vie.

Quand nous avons essayé la même stratégie dans le contexte de ROMP norbornène avec un PEG à terminaison-MM et un agent de réticulation bis-norbornène, les polymères en étoile avec des distributions très larges, MW multimodaux ont été obtenus. Ce résultat suggère que, dans ce système, le MM seul n'était pas suffisamment volumineux pour inhiber étoile + couplage en étoile. Pour augmenter l'encombrement stérique des bras des étoiles, et de limiter potentiellement ce uncontrocouplage lled, nous avons tenté d'abord polymériser le MM pour former des polymères bouteille-brosse en l'absence d'agent de réticulation, puis ajouter l'agent de réticulation. Nous avons été heureux de constater que, sous certaines conditions, cette méthode "brosse d'abord" fourni un accès direct à "brosse-bras polymères en étoile» (de BASPs) avec des distributions de MW étroites et noyau accordable et fonctionnalités corona.

Nous avons récemment rapporté la synthèse de BASPs PEG utilisant Grubbs 3 ème génération catalyseur A (Figure 1) 21 ROMP brosse-première. Dans ce travail, l'exposition de PEG-MM B au catalyseur A généré un pinceau macroamorceur vivant avec une longueur de colonne vertébrale définie (B1, Figure 1). Transfert des aliquotes de la B 1 à fioles qui contenaient différentes quantités d'agent de réticulation C initié BASPformation. Le MW, et donc la taille, des BASPs augmenté géométriquement avec la quantité de C ajoutée. Nous avons fourni une hypothèse mécaniste de ce processus de croissance géométrique et démontré que les core-et BASPs fonctionnels, nitroxydes corona marqué pourraient être aisément préparés sans la nécessité d'une post-polymérisation étapes de modification ou l'ajout de monomères séquentielles. Cependant, dans tous les exemples rapportés, nous étions préoccupés par la désactivation du catalyseur, nous avons effectué toutes les réactions sous atmosphère de N2 dans une boîte à gants.

Depuis notre premier rapport, nous avons constaté que la méthode de la brosse-première est très efficace pour la formation de BASPs d'un large éventail de MMS norbornène terminaison et des agents de réticulation fonctionnels. Nous avons également découvert que le procédé peut être réalisé sur la paillasse sans précautions spéciales pour éliminer l'air ou l'humidité.

Ici, une série de trois différentes BASPs de MW sera synthesized par la méthode de la brosse-première dans les conditions ambiantes. En bref, 10 équivalents de B seront exposés à 1,0 équivalent de catalyseur A (Figure 1a) pendant 15 minutes pour donner un BI avec un degré moyen de polymérisation (DP) de 10. Trois aliquotes de ce lot de BI seront transférés dans des flacons séparés qui contiennent 10, 15, et 20 équivalents (N, figure 1b) de C. Après 4 heures, les polymérisations sont trempées par addition d'éther de vinyle et d'éthyle. Les MW polymères en étoile et les distributions MW vont être caractérisés en utilisant un instrument de chromatographie par perméation de gel équipé d'un détecteur de diffusion de lumière laser multi-angles (GPC-MALLS).

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Protocol

Nous décrivons tout d'abord la synthèse et la purification de PEG-MM B à partir de 3 kDa O-(2-aminoéthyl) de polyéthylène glycol (PEG-NH 2) et norbornène-N-hydroxysuccinimidyle (NHS) ester. Le premier composé peut être acheté auprès de Sigma Aldrich Inc., ou préparé par polymérisation anionique selon l'une des procédures de la littérature 22,23. Ce dernier composé peut être préparé en deux étapes selon un mode opératoire publié 21. Ensuite, nous décrivons la synthèse du catalyseur A de disponible dans le commerce catalyseur de Grubbs de 2ème génération. Nous démontrons puis l'utilisation de cet ensemble pour la synthèse de BASP-brosse première. Cette expérience détaille la procédure pour faire BASPs avec N = 10, 15, et 20 à partir d'un BI avec DP = 10. Toutes les réactions ont été réalisées dans une hotte de laboratoire en utilisant des flacons à scintillation standard.

ATTENTION: Toujours porter des gants, un sarrau de laboratoire, etverres, et suivre les pratiques de sécurité des laboratoires communs lorsque l'on travaille avec des produits chimiques dangereux. Tout solvant organique doit être manipulé dans une hotte. Les solides peuvent être pesés sur une balance à l'extérieur de la hotte. Les produits chimiques doivent pas entrer en contact avec la peau, les yeux ou la bouche. Il est fortement recommandé de lire la fiche signalétique pour chaque solvant et solide utilisé dans cette procédure avant de commencer.

Une. Préparation de PEG-MM B

  1. Ajouter PEG-NH 2 (300 mg, 0,0001 mole, 1,0 éq) dans un flacon de 40 ml de scintillation équipé d'un barreau d'agitation.
  2. Dissoudre le PEG-NH 2 dans 3 ml d'anhydre N, N-diméthylformamide (DMF).
  3. Ajouter 36 mg de norbornène-NHS ester (0,000105 mol, 1,05 éq) 21.
  4. Boucher le flacon et on agite le mélange réactionnel pendant une nuit à température ambiante.
  5. Retirer le barreau d'agitation et ajouter de l'éther diéthylique à la solution de réaction pour précipiter le PEG B-MM.
  6. Filtrer la grippe blancFFY précipiter et laver abondamment avec de l'éther éthylique. En variante, transférer la suspension dans un tube à centrifuger de 50 m, centrifuger à 4000 rpm pendant 5 min à température ambiante, puis décanter le surnageant. Ajouter de l'éther frais de diéthyle, centrifugeuse, et décanter à nouveau. Nous vous recommandons de répéter cette procédure 3x pour un total de 5x.
  7. Sécher le précipité sous vide pendant 24 heures pour éliminer l'éther éthylique résiduel.

2. La purification de PEG-MM

Dans notre précédent rapport, le PEG-MM B a été préparé à partir du commerce PEG-NH 2 et a été utilisé pour la synthèse de BASP sans purification supplémentaire après séchage (c'est à dire, après l'étape 1.7). Dans cette étude, nous faisons varier le PEG-NH2 source (commercial contre maison), et on compare les résultats de la formation BASP avant et après purification chromatographie préparative de liquide à haute performance plus rigoureux (prep-HPLC) MM. Dans la suite de cette étude, le drMM ied obtenu après l'étape 1.7 est dénommé B1. Prep-HPLC a été utilisée pour purifier B1 B2 pour donner. Une CLHP preparative MM purifiée analogue synthétisé au laboratoire par l'intermédiaire d'une polymérisation anionique est dénommé B3. Prep-HPLC a été réalisée en utilisant un Beckmann Coulter HPLC (127p module solvant et le module de détection de 166p) avec une boucle d'échantillon de 1 ml et une colonne en phase inverse Agilent Zorbax 300SB-C18 PrepHT à la température ambiante.

  1. Mise en place HPLC avec un solvant A: eau désionisée (système de purification Millipore, 18,2 Ω) avec de l'acide acétique à 1%, solvant B: acétonitrile.
  2. Amorcer les pompes et équilibrer la colonne avec 95% de A et de 5% B.
  3. Dissoudre le PEG-MM dans de l'acétonitrile ou du MeOH (150 mg / ml).
  4. Filtrer à travers un filtre en nylon de 13 mm seringue de 0,45 um.
  5. Définit la méthode HPLC:
    - Débit: 20 ml / min
    - 0-1 min: gradient linéaire de 10% de B et 90% A
    - 1-10 min: linear gradient B à 90% et 10% A
    - 10-13 min: commutateur aux conditions initiales (5% de B et 95%) et rééquilibrer la colonne
    - Régler détecteur UV pour détecter l'absorbance à 256 nm
  6. Charger 0,8 ml d'échantillon dans la boucle d'échantillonnage.
  7. Injecter l'échantillon.
  8. Recueillir le pic principal d'absorption (dans les conditions spécifiées, le produit est élue entre 5-7 min).
  9. Répéter au besoin. Combiner les fractions pures ensemble dans un ballon à fond rond.
  10. Retirez tout le solvant par évaporation rotative.
  11. Reprendre le produit dans du dichlorométhane et ajouter du sulfate de sodium. Secouer ou remuer régulièrement le ballon pour ≅ 1 h doucement.
  12. Filtrer le mélange en utilisant un filtre en verre fritte.
  13. Concentrer par évaporation rotative. Sécher sous vide pendant une nuit.
  14. Le PEG-MM peut être caractérisé par RMN 1H dans CD 2 Cl 2 (15-20 mg/0.7 ml CD 2 Cl 2, 500 MHz ou supérieur recommandé avec plus de 128 analyses et retard de relaxation, d1= 2,0 s), et MALDI-TOF en utilisant le mode d'ionisation positif et de 2 - (4-hydroxyphenylazo) de l'acide benzoïque en tant que matrice MALDI.
  15. Le PEG-MM peut être conservé pendant des mois dans un flacon à scintillation à 4 ° C.

3. Préparation du catalyseur A

  1. Ajouter catalyseur de Grubbs de 2ème génération (500 mg, 0,589 mmol) à un flacon de 20 ml muni d'un barreau d'agitation.
  2. Ajouter de la pyridine (environ 0,474 ml, 5,89 mmol, 10 éq) dans le flacon. La couleur de la solution devrait immédiatement changer du rouge au vert. Laisser la réaction de remuer jusqu'à ce que la totalité de la couleur rouge a disparu et la solution est devenue visqueuse (15-30 min).
  3. Remplir le flacon de réaction avec du pentane froid pour précipiter un complexe.
  4. On filtre la suspension pour recueillir le précipité vert (catalyseur A). Laver 4x avec 15 ml de pentane froid.
  5. Sécher le solide vert sous vide pendant une nuit.
  6. Un complexe peut êtrestocké pendant plusieurs mois à température ambiante dans un dessiccateur de paillasse sans perte significative d'activité. Pour des précautions supplémentaires, nous stockons généralement complexe dans un congélateur -20 C ° à l'intérieur d'une boîte à gants. Montants pour plus de commodité, nous avons pré-peser connue d'un dans 4 flacons de scintillation ml immédiatement après séchage (étape 3.5). Nous conservons alors ces flacons dans la boîte à gants congélateur. Lorsque vous êtes prêt à exécuter une réaction ROMP, nous prenons tout simplement un flacon hors de la boîte à gants et utilisons comme décrit ci-dessous (étape 4.4).

4. Préparation de la solution mère de brosse polymère vivant (BI) avec DP = 10

  1. Dans un flacon de 3 ml avec un bouchon à vis étanche aux gaz équipé d'un barreau d'agitation, peser 65 mg (0,020 mmol, 10 éq) de MM B. Ce montant correspond à 20 mg de MM pour chacune des trois tailles différentes de BASPs, et 5 mg pour une analyse GPC restes de la BI. Utiliser une spatule pour ajouter le MM directement au fond du flacon. Try pour empêcher le matériau d'adhérer aux parois de la fiole que ce scénario pourrait conduire à une contamination MM dans le produit final BASP.
  2. Dissoudre le MM B dans 158 pi de THF. Plafonner immédiatement le flacon après l'ajout de THF pour éviter l'évaporation du solvant. Remarque: La concentration finale en MM lors de la polymérisation doit être de 0,05 M. Si 158 ul de THF sont ajoutés ici, puis 243 pl de solution de catalyseur, l'étape 4.4, sera ajouté pour donner 401 ul de THF totale, ce qui correspond à [MM ] = 0,05 M. La quantité de solvant lors de cette étape peut être modifiée, tant que la quantité de solvant lors de l'étape 4.4 est également modifiée pour donner [MM] 0.05. Nous avons constaté que les polymérisations effectuées avec [MM] <0,05 parfois ne procède pas à une conversion complète.
  3. Laisser la solution en remuant jusqu'à ce que le MM est dissous. Chauffer légèrement si nécessaire. Éviter les éclaboussures la solution visqueuse sur les côtés ou le bouchon du flacon.
  4. Ensuite, ajouter une quantité connue (2,8mg pour cet exemple) de catalyseur A à un flacon de 3 ml (ou obtenir un flacon pré-pesé avec le catalyseur A). Ajouter du THF anhydre (466 pi dans cet exemple) pour donner une solution de catalyseur de 6 mg / ml. Cap immédiatement le flacon. Laisser le catalyseur pour dissoudre complètement;. Secouer doucement le flacon si nécessaire cette solution de catalyseur doit être utilisé immédiatement pour ROMP. Note 1: La solution de catalyseur doit être de couleur vert forêt. Si elle est noire, ou brun verdâtre, il a probablement décomposé, et il ne sera probablement pas donner des résultats satisfaisants de ROMP. Si la décomposition se produit, nous vous proposons la préparation du catalyseur frais (conformément à l'article 3 ci-dessus), ou en utilisant du THF fraîchement distillé. Note 2: La quantité de THF ajouté à A est choisi de sorte que le dernier [MM] est de ~ 0,05. Ce montant peut être réglé, aussi longtemps que les ajustements compensatoires sont prises à la solution MM à l'étape 4.2.
  5. Ajouter 243 pi (1,46 mg; 1 éq B BI impureté dans la finale BASP.
  6. Boucher le flacon immédiatement et laisser le malaxage du mélange de réaction pendant 15 min pour former la brosse macroamorceur (BI).

5. Formation de BASPs

  1. Ajouter 3,6 ± 0,1 mg (6,18 mol, 10 éq à la quantité de BI à être transféré à l'étape 5.2), 5,5 ± 0,1 mg (9.28μmol, 15 eq au montant de la BI à être transféré à l'étape 5.2), et 7,3 ± 0,1 mg (12.4μmol, 20 éq à la quantité de BI à être transféré à l'étape 5.2) de réticulation C à trois différents flacons de 3 ml équipées de barreaux d'agitation. Essayez de peser l'agent de réticulation directement sur le fond de la fiole pour empêcher la matière d'adhérer aux parois de la fiole. Note: Le réticulant C n'est pas très soluble dans le THF. Pour cette raison, le solide est utilisé directement dans l'étape suivante. Dans les cas où l'agent de réticulation est soluble, puis d'une solution mère concentrée d'agent de reticulation peut être réalisée et les diverses quantités de cette solution peut être transférée dans des flacons. Là encore, la concentration des polymérisations finales doit être> 0,05 M, si le solvant est ajouté à l'agent de réticulation puis une réduction compensatoire de solvant doit être faite ailleurs.
  2. Ajouter 123 pi (0,618 mol) de la solution BI pour chacun des trois flacons contenant C. Essayez de garder la pointe de l'aiguille juste au-dessus l'agent de réticulation solide lors de l'ajout de la fiole. Ajouter la solution BI à la fois plutôt que goutte à goutte.
  3. Boucher les fioles et remuer les réactions à température ambiante pendant jusqu'àachèvement. Avec cette MM spécifique et la combinaison de réticulation, la réaction est complète en ~ 4 h; agitation continue jusqu'à 24 heures n'a pas d'effet perceptible sur la croissance de la BASP. Surveillance par GPC pour assurer la conversion complète de BI.
  4. Étancher les réactions par addition d'une goutte de l'éther de vinyle et d'éthyle de la solution restante BI et chacun des N = 10, 15, et 20 BASP mélanges réactionnels. Agiter pendant 10 min pour assurer l'extinction complète.

6. GPC Préparation de l'échantillon

Les résultats GPC-Malls ont été obtenus sur un système LC Agilent 1260 équipé d'une colonne Shodex GPC KD-806m, un détecteur Wyatt aube Heleos-II commerciaux, et une Wyatt Optilab T-Rex détecteur d'indice de réfraction de la température ambiante. DMF avec 0,025 M de LiBr à un débit de 1,0 ml / min a été utilisé comme éluant. Les résultats ont été analysés à l'aide Astra 6 logiciel fourni par Wyatt.

  1. En utilisant une nouvelle pipette en verre pour chaque flacon de réaction, Trempe le bout de la pipette dans la solution de réaction de dresser un petit échantillon de la réaction. Laver à l'intérieur de la pipette avec 250 ul de 0,025 M de LiBr dans du DMF pour donner une concentration finale d'environ 3 mg / ml.
  2. Filtrer l'échantillon dilué à travers un filtre de polytétrafluoroéthylène de 0,45 um avant le dépôt de l'échantillon dans un flacon GPC.
  3. Mise en place GPC-Malls pistes et analyser les résultats une fois que les essais sont terminés.

Liste des abréviations:

A: Grubbs 3 catalyseur de bis-pyridine ème génération

B: poly (éthylène glycol) (PEG) macromonomère (MM)

B1: PEG MM préparé en utilisant disponible dans le commerce (Aldrich) PEG-NH 2 et utilisé sans purification HPLC.

B2: PEG MM préparé à l'aide disponible dans le commerce (Aldrich) PEG-NH

B3: PEG MM préparé en utilisant nouvellement synthétisé PEG-NH 2 et après purification par CLHP.

BASP: polymère en étoile brosse-bras

BI: séjour initiateur de brosse

C: agent de réticulation photodégradable

Ð: molaire indice de polydispersité de masse

DMF: N, N-diméthylformamide

DP: polymérisation de degré moyen en nombre

GPC: chromatographie par perméation de gel

Prep-HPLC: Chromatographie liquide haute performance preparative

CENTRES: multi-angle de diffusion de lumière laser

MM: macromonomère

MW: poids moléculaire

M w: mo moyenne de poidsmasse lar

N: nombre d'équivalents d'agent de reticulation (rapport de C à A)

NHS: N-hydroxysuccinimidyle

PEG: polyéthylène glycol

PEG-MM: PEG-norbornène macromonomère (également dénommé composé B)

ROMP: polymérisation par métathèse par ouverture de cycle

THF: tétrahydrofuranne

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Representative Results

La figure 2 montre les traces de GPC pour une variété de BASPs préparés à partir de B1, B2 et B3. Dans tous les cas, les données montrent que l'augmentation des équivalents d'agent de réticulation (N) conduit à une augmentation de la taille de la BASP. Comme cela a été observé dans notre précédent rapport, 10 équivalents d'agent de réticulation n'est pas suffisante pour atteindre BASPs uniformes; N = 10 échantillons montre une trace GPC clairement multi-modal avec une grande quantité de polymère de brosse résiduelle en particulier dans le cas de non purifié MM B1 ( Figure 2a). De plus grandes quantités d'agent de réticulation entraînent les distributions MW uniformes avec très peu de brosse résiduelle et MM. La masse molaire moyenne en poids (M w) par deux environ en allant de N = 15 à 20. Dans le cas de B3, aucune MM résiduel et moins de 1% BI résiduel pour N = 15 et N = 20 cas.

Figure 1
Figure 1. Schéma de Brush-Bras étoile Polymer (BASP) Synthèse. Groupe (a) illustre la synthèse de de 3 e catalyseur de bispyridine génération (A) de disponible dans le commerce Grubbs de Grubbs 2ème génération catalyseur. On trouvera également les structures de la PEG-MM (B) et agent de réticulation (C) utilisée dans ce travail. Panneau (b) représente un diagramme schématique du procédé de la brosse-première. Polymérisation de PEG-MM (B) avec un catalyseur (A) génère une brosse de vie de 10 unités initiateur (BI), qui est ensuite ajouté à agent de réticulation (C) résultant en la formation d'un BASP. ig1highres.jpg "target =" _blank "> Cliquez ici pour agrandir l'image.

Figure 2
Figure 2. Résultats de GPC représentative de la N = 10, 15, et 20 BASPs préparé à partir de divers PEG MMs. Panneaux (a), (b) et (c) représentent des données pour MMS B1, B2, et B3, respectivement. Impuretés du commerce PEG-NH 2, qui n'a pas réagi MM, et BI résiduel sont marqués avec un astérisque. M indice w et dispersité (d) valeurs sont fournies dans les tableaux encastrés. Notez que les valeurs D obtenues par GPC pour nanostructures fortement ramifiées doivent être examinés attentivement 24,25. L'observation de monomodes pics uniformes suggère une distribution étroite des rayons de particules.tp_upload/50874/50874fig2highres.jpg "target =" _blank "> Cliquez ici pour agrandir l'image.

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Discussion

Le principal avantage de la synthèse de BASP brosse première est la capacité à synthétiser rapidement nanostructures de taille diverse et composition en parallèle sans avoir besoin d'équipement spécialisé. Dans cette étude, nous démontrons la méthode de synthèse de brosse en utilisant un premier norbornène macromonomère PEG fonctionnalisé (B, figure 1) et un agent de réticulation de type ester de nitrobenzyle bis-norbornène (C, figure 1). Les chaînes de PEG de B confèrent solubilité dans l'eau à la structure finale BASP. L'agent de réticulation à base nitrobenzyle-est photodégradables.

Ce procédé général peut être modifié pour les autres agents de réticulation à base MMS et exo-norbornène. Nous avons préparé BASPs de plusieurs combinaisons des deux. Par exemple, nous avons utilisé des MMs à base de norbornène-PEG qui portent différents médicaments anti-cancéreux, des nitroxydes, et la résonance magnétique des agents de contraste d'imagerie 27. Nous avons également utilisé le MMS comprenant des polymères autres que des PEG. Dans notre expérience, la méthode de la brosse-première peut être appliquée à presque n'importe quel exo-norbornène imide fonctionnelle fin MM. Dans les cas où des conversions élevées de MM BI (> 95%) ne sont pas atteints, une impureté MM est la cause la plus probable (par opposition à l'activité catalytique). Purification plus rigoureux tel que décrit dans le présent rapport (prep-HPLC) conduit généralement à ROMP succès. Notez que nous n'avons pas tenté polymérisations ROMP avec le MMS qui portent des groupes fonctionnels non protégés qui sont connus pour interférer avec le catalyseur A (amines par exemple gratuits, des oléfines, azotures, etc.) Ces groupes peuvent être introduits après la synthèse de la brosse par l'intermédiaire de la première modification post-polymérisation 27. Par exemple, nous avons préparé azoture-BASPs de MMS d'halogénures d'alkyle qui ont été converties à azides après la formation BASP. Ces azotures ont été utilisés pour le Cu-catalysée azoture-alcyne cycloaddition "click &N ° 34; réactions.

Nous avons cherché à étudier l'impact de MM pureté plus en détail. De petites quantités de MM résiduelle et BI ont toujours été observée dans GPC traces quand les réactions de brosse d'abord été réalisées en utilisant MM préparé à partir disponibles dans le commerce PEG-NH 2 (B1, figure 2a). Nous avons appris par expérience que MMS complètement purs donnent généralement une conversion quantitative de MM. En outre, nous avons remarqué que la quantité résiduelle de MM varier en fonction du nombre de la commerciale PEG-NH 2 lots. Nous supposions que non fonctionnel PEG-NH 2 impureté, peut-être tout simplement PEG diol, était responsable de l'apparente résiduelle MM impureté. Par conséquent, nous avons utilisé prep-HPLC pour purifier B1 pour donner pur MM B2 Figure 2b montre que ce processus de purification a en effet diminuer la quantité de MM résiduelle (étoile orange) environ deux-pli;. Elle n'a pas Remove complètement. Fait intéressant, B2 a donné une plus grande conversion de BI à BASPs ainsi, peut-être une impureté qui a conduit à la désactivation du catalyseur a été enlevé par HPLC prép. Toujours pas satisfait du montant de MM résiduel, nous avons suivi les méthodes de la littérature pour la synthèse de PEG-NH 2 par polymérisation anionique de l'oxyde d'éthylène à partir d'éthanolamine (ATTENTION: L'oxyde d'éthylène doit être manipulé par formés, des chimistes expérimentés, c'est une très inflammable, explosif , et le gaz toxique!). 22,23 MM préparé à partir de cette maison PEG-NH 2 (B3) a abouti à une amélioration des résultats par rapport aux MMS commerciales. L'analyse par GPC des BASPs correspondants n'a montré aucune MM résiduelle détectable et très peu (<1%) résiduel BI (figure 2c). Ainsi, si BASPs de haute pureté sont nécessaires, nous vous recommandons d'utiliser la plus pure possible MM. Notez que MM résiduelle et BI peuvent être facilement retirés deles grandes BASPs par dialyse après la synthèse de la brosse-première.

Nous avons également utilisé des agents de réticulation autres que C. Par exemple, nous avons préparé des complexes BASPs bisnorbornene métalliques, des initiateurs de polymérisation, des segments de liaison acides clivables, et des hôtes supramoléculaires. Nous constatons que les agents de réticulation avec des entretoises rigides entre les norbornènes ont tendance à fournir des BASPs plus uniformes; ces agents de reticulation sont moins susceptibles de subir des réactions de cyclisation intramoléculaire qui consomment norbornènes mais ne contribuent pas à la croissance du BASP.

Quelle que soit la combinaison MM et agent de réticulation, on retrouve les pratiques générales suivantes conduiront à le plus de chances de succès de la brosse-première. Tout d'abord, avant de tenter la synthèse de brosse d'abord avec des monomères nouvellement synthétisées, nous vous recommandons de faire le polymère DP = 10 pinceau seul et peut-être plus des polymères de pinceau avec DP = 25 et 50. Si ces tests sont concluants, il ya une excellente chance que la brosse-premièreméthode sera aussi réussie. Deuxièmement, la concentration idéale pour la polymérisation de la brosse-première dépend de la composition chimique et la structure monomère des composants. Nous vous recommandons de tester quelques concentrations sur petite échelle avant de faire un grand lot de BASP. Troisièmement, les polymérisations effectuées dans le dichlorométhane ou le tétrahydrofurane semblent donner les meilleurs résultats, les monomères qui sont solubles dans ces solvants sont idéales. Comme discuté ci-dessus, si l'agent de réticulation est peu soluble dans ces solvants il est recommandé de l'ajouter sous forme de solide plutôt que d'ajouter un solvant supplémentaire. Tant que le MM est soluble, on trouve que la réticulation apporte l'agent de réticulation complètement en solution en quelques minutes. Quatrièmement, bien que la polymérisation ne nécessite pas des conditions inertes, il est recommandé de stockage du catalyseur sous atmosphère inerte pour augmenter sa durée de vie. Fait important, le catalyseur se décompose au cours du temps en solution; la solution de catalyseur doit être préparé à partir de la troisième génération de Grubbs catalyst à chaque fois une série de réactions est effectuée ROMP. Enfin, la quantité d'agent de reticulation requise pour BASPs uniformes variera largement avec agent de réticulation et la structure MM. Comme le montre la Figure 2, 10 équiv de réticulant C n'est pas suffisant pour fournir des conversions de BI complètes. Dans d'autres cas, nous constatons que plus de 1 équivalent de réticulation, et même jusqu'à 40 équivalents, donne de bons résultats. Chaque fois qu'un nouveau agent de réticulation doit être utilisé, nous recommandons l'exécution d'une série de réactions à petite échelle avec différentes valeurs N à identifier les montants de réticulation optimales.

Comme note finale, il est important de reconnaître que de nombreuses autres méthodes existent pour la fabrication de polymères en forme d'étoile (core-first, arm-first, etc) 25, 26. Chaque méthode a ses avantages et inconvénients, comme des limites à la taille, les exigences de purification, et la compatibilité du groupe fonctionnel. Nous soutenons que la grande tolérance de groupe fonctionnel de ROMP,la facilité de synthèse de monomères fonctionnels à base de norbornène, et la capacité d'effectuer des réactions de ROMP sur la paillasse rapidement, en parallèle, et à la température ambiante, faire l'approche de la brosse-ROMP première valeur de compte pour une variété d'applications. Dans l'avenir, nous allons continuer à développer cette méthode et BASP Nanoarchitectures pour diverses applications, notamment la drogue et la livraison de gènes, l'imagerie cellulaire, et l'auto-assemblage. Le potentiel de ces nouvelles particules, et leur capacité de synthèse combinatoire, n'a pas encore été exploré.

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Disclosures

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Acknowledgements

Nous remercions le ministère de MIT de chimie et de l'Concepts Comité Lincoln du MIT Labs avancée pour soutenir ce travail.

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

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