الجسيمات دون مربع: التجميعي فرشاة والعشرين من Photodegradable PEG البوليمرات ستار في ظل الظروف المحيطة
Summary
يتم توليفها بولي (جلايكول الإثيلين) (PEG) البوليمرات نجمة فرشاة الذراع (BASPs) مع توزيعات الشامل الضيقة وأحجام نانوية الانضباطي في حلقة عبر فتح الابدال والاحلال البلمرة (مرح) من macromonomer PEG-في norbornene تليها نقل أجزاء من المعيشة نتيجة البادئ فرشاة لقارورة تحتوي على كميات متنوعة من جامدة، وصور شطورة مكرر في norbornene crosslinker.
Abstract
سوف أساليب مريحة ل، والتوليف المتوازي السريع للالنانوية بين functionalized بتنوع تمكين اكتشاف تركيبات رواية لتسليم المخدرات، والتصوير البيولوجية، والحفز المعتمدة. في هذا التقرير، علينا أن نظهر التوليف المتوازي للفرشاة الذراع نجمة البوليمر (حزب البعث العربي الاشتراكي) النانوية من قبل "فرشاة والعشرين" الأسلوب. في هذه الطريقة، يتم بلمرة بولي منتهية في norbornene (جلايكول الإثيلين) (PEG) macromonomer (PEG-MM) أولا عن طريق فتح باب خاتم الابدال والاحلال البلمرة (مرح) لإنشاء macroinitiator فرشاة المعيشة. ويضاف جزء من هذه البادئ محلول المخزون إلى قارورة التي تحتوي على كميات متنوعة من photodegradable مكرر في norbornene crosslinker. التعرض لcrosslinker يبدأ سلسلة من فرشاة تسيطر kinetically + فرشاة وردود الفعل اقتران نجمة نجمة + يمكن أن ينتج في نهاية المطاف BASPs مع النوى تتألف من crosslinker وكورونا تتألف من PEG. حجم حزب البعث العربي الاشتراكي النهائي يعتمد على كمية crosslinker المضافة. نقوم بتنفيذ SYNالأطروحة من ثلاثة BASPs على الفوق مع عدم وجود احتياطات خاصة لإزالة الهواء والرطوبة. وتتميز العينات بواسطة اللوني هلام تخلل (المؤتمر الشعبي العام)، ووافق النتائج بشكل وثيق مع تقريرنا السابق أن تستخدم الخاملة (صندوق قفازات) الظروف. وتناقش الملامح الرئيسية العملية، ومزايا، وعيوب المحتملة للأسلوب الفرشاة الأولى.
Introduction
وقد درس على نطاق واسع النانوية البوليمرية للاستخدام إمكاناتهم كما منصات لتسليم المخدرات، الحفز المعتمدة، التصوير البيولوجية، والتجمع الذاتي 1-3. تتطلب التطبيقات الحديثة التي التوليفات جسيمات متناهية الصغر تكون سطحية، واستنساخه، ومتوافقة مع وظائف الكيميائية، وقابلة للتنويع 4،5. عصابة فتح الابدال والاحلال البلمرة (مرح) الأوليفينات توترت هي منهجية قوية لتجميع النانو البوليمرية وظيفية مع أحجام للرقابة والتوزيع الشامل الضيقة 1،6-8. على سبيل المثال، بين functionalized في norbornene-بولي (جلايكول الإثيلين) (PEG) macromonomers (MMS) يمكن بلمرة بكفاءة عن طريق مرح لتوليد البوليمرات للذوبان في الماء زجاجة فرشاة. باستخدام هذا النهج، النانو التي تحمل جزيئات متعددة نشره المخدرات، fluorophores، وكلاء تدور على النقيض يمكن أن يكون مستعدا بسرعة وبالتوازي 6 و 9 و 10.
ROMP كما تم استخدامها لتخليق "تسليح والعشرين" من البوليمرات نجوم. في طريقة الذراع الأولى، يتم crosslinked بوليمرات خطية مع crosslinker متعددة الوظائف لإعطاء النانو كروية مع الأسلحة البوليمرية. ذكرت شروك وزملاء العمل أول التوليف مرح الذراع الأول من البوليمرات نجمة عبر يشابك من في norbornene، dicarbomethoxynorbornadiene، وtrimethylsilyl المحمية dicarboxynorbornene البوليمرات الخطية مع crosslinker في norbornene bifunctional 11، 12 Buchmeiser مددت هذه المنهجية لتخليق المواد مع مجموعة من التطبيقات التي تشمل الحفز المعتمدة، الأنسجة والهندسة، واللوني 13-17. جعلت أوتاني وزملاء العمل النانوية نجمة البوليمر مع الأسطح وظيفية عبر "في الخارج" استراتيجية البلمرة ذات الصلة 18، 19.
تنطوي معظم polymerizations الذراع أول تفاعل معقد من مونومر، البوليمر، ونجم اقتران ردود الفعل. اله عائدات الأخير عبر آلية خطوة النمو الذي يؤدي عادة إلى الوزن الجزيئي واسعة (MW) التوزيعات. للتغلب على هذا القيد في نقل ذرة تفاعلات البلمرة الراديكالية الذراع الأولى ذات الصلة، يقوم Matyjaszewski وزملاء العمل الذراع الأولى يشابك من الرسائل المتعددة الوسائط البوليمرية مسبقة التشكيل لتوفير البوليمرات نجوم مع توزيعات ميغاواط ضيقة جدا 20. في هذه الحالة، فإن الجزء الأكبر الفراغية من رسائل الوسائط المتعددة، ونسبة زيادة الأسلحة نجمة لاستهلال الإجراءات المواقع، تحول دون عمليات نجمة + نجمة اقتران تسيطر على نحو رديء، وأدت إلى لقمة العيش، وآلية النمو السلسلة.
عندما حاولنا نفس الاستراتيجية في سياق مرح مع منتهية في norbornene PEG-MM وcrosslinker مكرر في norbornene، تم الحصول على البوليمرات نجوم مع واسعة جدا، وتوزيعات ميجاوات متعدد الوسائط. اقترح هذه النتيجة أنه في هذا النظام MM وحده لم يكن ضخمة بما فيه الكفاية لمنع نجمة + نجمة اقتران. لزيادة الجزء الأكبر الفراغية من الأسلحة نجوم، ويحتمل أن تحد من هذا uncontrolled اقتران، حاولنا تتبلمر أولا MM لتشكيل البوليمرات زجاجة فرشاة في غياب crosslinker ثم قم بإضافة crosslinker. كنا سعداء للعثور على أنه في ظل ظروف معينة، وفرت هذه "الفرشاة والعشرين" أسلوب الوصول مباشرة إلى "البوليمرات نجمة فرشاة الذراع" (BASPs) مع توزيعات ميغاواط الضيقة والانضباطي الأساسية وظائف الهالة.
نحن ذكرت مؤخرا تركيب مرح فرشاة الأول من BASPs PEG باستخدام جرابز 3 الجيل الثالث المحفز A (الشكل 1) 21. في هذا العمل، والتعرض للPEG-MM B إلى A حافزا لدت macroinitiator فرشاة المعيشة مع تعريف طول العمود الفقري (B1، الشكل 1). نقل مأخوذة من B 1 إلى قارورة التي تحتوي على كميات مختلفة من crosslinker C بادر حزب البعث العربي الاشتراكيتشكيل. ميغاواط، وعلى هذا فإن الحجم، من BASPs زيادة هندسيا مع كمية من C المضافة. قدمنا فرضية الآلية لهذه العملية نمو هندسية وأثبتت أن ظيفية، nitroxide والأساسية BASPs المسمى الاكليل يمكن إعداد بسهولة دون الحاجة للآخر البلمرة-الخطوات تعديل أو إضافات مونومر متسلسلة. ومع ذلك، في كل من الأمثلة المبلغ عنها، كنا تشعر بالقلق إزاء حافزا التعطيل، ونحن نفذت جميع التفاعلات تحت N 2 الجو داخل صندوق قفازات.
منذ التقرير الأولي لدينا، فقد وجدنا أن الأسلوب فرشاة الأول هو فعالة جدا لتشكيل BASPs من مجموعة واسعة من الرسائل المتعددة الوسائط منتهية في norbornene وcrosslinkers الوظيفية. اكتشفنا أيضا أن الأسلوب لا يمكن أن يؤديها على الفوق مع عدم وجود احتياطات خاصة لإزالة الهواء أو الرطوبة.
هنا، سيتم SY سلسلة من ثلاثة BASPs من اختلاف ميجاواتnthesized من خلال طريقة فرشاة الأولى في ظل الظروف المحيطة. باختصار، سوف يتعرض 10 في حكمه من B إلى 1.0 في حكمه من حافز A (الشكل 1A) لمدة 15 دقيقة لتسفر عن BI بمتوسط درجة البلمرة (DP) 10. وسيتم نقل ثلاثة aliquots من هذه الدفعة من BI إلى قارورة منفصلة التي تحتوي على 10، 15، و 20 في حكمه (N، الشكل 1B) من C. بعد 4 ساعات، وسوف تطفئ polymerizations عبر إضافة إيثيل الأثير الفينيل. سيتم تميزت ميجاوات نجمة البوليمر والتوزيعات ميغاواط باستخدام أداة هلام تخلل اللوني مجهزة للكشف عن تشتت ضوء الليزر متعددة زاوية (GPC-مولات).
Protocol
Representative Results
Discussion
والميزة الرئيسية لحزب البعث العربي الاشتراكي التوليف فرشاة الأول هو قدرة فريدة على تجميع بسرعة النانو من حجم متنوعة وتكوين بالتوازي دون الحاجة إلى المعدات المتخصصة. في هذه الدراسة، ونحن لشرح طريقة الفرشاة الأولى الاصطناعية باستخدام في norbornene بين functionalized PEG macromonomer <st…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر إدارة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الكيمياء واللجنة المفاهيم معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لنكولن مختبرات متقدمة لدعم هذا العمل.
Materials
| 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 |
References
- Bielawski, C. W., Grubbs, R. H. Living ring-opening metathesis polymerization. Prog. Polym. Sci. 32, 1-29 (2007).
- Hawker, C. J. The Convergence of Synthetic Organic and Polymer Chemistries. Science. 309, 1200-1205 (2005).
- 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).
- Whitesides, G. M. Nanoscience, Nanotechnology, and Chemistry. Small. 1, 172-179 (2005).
- Leitgeb, A., Wappel, J., Slugovc, C. The ROMP toolbox upgraded. Polymer. 51, 2927-2946 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bazan, G. C., Schrock, R. R. Synthesis of star block copolymers by controlled ring-opening metathesis polymerization. Macromolecules. 24, 817-823 (1991).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Gao, H., Ohno, S., Matyjaszewski, K. Low Polydispersity Star Polymers via Cross-Linking Macromonomers by ATRP. J. Am. Chem. Soc. 128, 15111-15113 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- Burchard, W. Solution properties of branched macromolecules. Adv. Polym. Sci. 143, 113-194 (1999).
- Gao, H. F. Development of Star Polymers as Unimolecular Containers for Nanomaterials. Macromol. Rapid Comm. , 722-734 (2012).
- 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).
- 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).
