Dendrony i polimery hiperrozgałęzione: Wielofunkcyjne narzędzia dla chemii materiałowej

Wprowadzenie

Dendrymery to makrocząsteczki polimerowe składające się z wielu idealnie rozgałęzionych monomerów promieniście wychodzących z centralnego rdzenia (Rysunek 1). Liczba punktów rozgałęzień wzrasta po przejściu od rdzenia dendrymeru do jego powierzchni i definiuje generację dendrymeru. Rozgałęziona topologia nadaje dendrymerom kilka unikalnych właściwości do zastosowań materiałowych:

• Zwarta struktura dendrymerów w skali nm  skutkuje wysoką rozpuszczalnością i niską lepkością roztworu. Ta właściwość nadaje dendrymerom zastosowanie jako modyfikatory reologii (lepkości).¹
• Gęsta prezentacja wielu grup końcowych na powierzchni dendrymeru (wielowartościowość), przy czym liczba grup powierzchniowych wzrasta wraz z generacją dendrymeru. Wielowartościowość może być wykorzystywana jako środek do uzyskania skoncentrowanych ładunków leków lub etykiet obrazujących chemicznie szczepionych na powierzchni dendrymeru.²
• Architektura molekularna typu rdzeń-powłoka z chemicznie odrębnym wnętrzem i powierzchnią. Architektura rdzeń-powłoka może być stosowana do enkapsulacji i uwalniania cząsteczek chemicznie niekompatybilnych ze środowiskiem zewnętrznym dendrymeru: na przykład katalizatorów, leków lub chromoforów.³

Oferujemy szeroką gamę monodyspersyjnych cząsteczek dendrymerów o czterech różnych strukturach chemicznych (PAMAM,  fosfor,  polipropylenimina,  polilizyna) i wielu różnych końcowych grupach powierzchniowych. Aby rozszerzyć zakres narzędzi dendrytycznych do badań w dziedzinie chemii materiałów, mamy przyjemność zaoferować dwa rodzaje makrocząsteczek dendrytycznych: dendrony poliestrowe i hiperrozgałęzione polimery oparte na monomerze kwasu 2,2-bis(hydroksymetylo)propanowego (bis-MPA).

Rysunek 2. Dendron bis-MPA 4. generacji

Dendrony

Dendrony (Rysunek 2) to monodyspersyjne dendrymery w kształcie klina z wieloma grupami końcowymi i pojedynczą funkcją reaktywną w punkcie centralnym. Oprócz unikalnych właściwości opisanych powyżej, daje to możliwość ortogonalnych reakcji wykorzystujących różne grupy ogniskowe i powierzchniowe. Na przykład, możliwe jest szczepienie dendronów do powierzchni, do innego dendronu,⁴ lub do innej makrocząsteczki.⁵ Nasze produkty dendronowe bis-MPA są dostępne w trzech generacjach z alkinowymi lub karboksylowymi funkcjami ogniskowymi. Funkcje alkinowe nadają się do katalitycznej cykloaddycji do azydków (Schemat 1) (zobacz naszą listę dostępnych azydków tutaj). Kwasy karboksylowe mogą być selektywnie poddawane reakcji z aminami, na przykład za pomocą sprzęgania EDC. Wiele powierzchniowych funkcji hydroksylowych można dalej derywatyzować, na przykład poprzez reakcje z bezwodnikami lub halogenkami acylowymi (Schemat 2). Szczegółowe informacje o produkcie można znaleźć w naszych biuletynach technicznych wymienionych w tabeli produktów.

Polimery hiperrozgałęzione

Polimery hiperrozgałęzione (Rysunek 3) to polidyspersyjne makrocząsteczki dendrytyczne, które posiadają właściwości podobne do dendrymerów, ale są przygotowywane w jednym etapie polimeryzacji syntetycznej. Są one niedoskonale rozgałęzione i mają średnią (a nie dokładną) liczbę końcowych grup funkcyjnych, ale są bardziej opłacalne niż doskonałe produkty dendrymerowe.

Rysunek 3. Hiperrozgałęziony poliester bis-MPA generacji 3 (nr produktu 686581)

W zastosowaniach tolerujących niedoskonałości, hiperrozgałęzione polimery zapewnią zalety dendrymerów przy znacznie niższych kosztach. Nasze hiperrozgałęzione polimery bis-MPA są wysoce oczyszczone (> 97% czystości produktu) i dostarczane w postaci łatwych do rozpuszczenia liofilizowanych proszków.

Cechy i zalety

Unikalne cechy i zalety nowych hiperrozgałęzionych produktów polimerowych obejmują:

• Wiele grup końcowych hydroksylowych (-OH) łatwo dostępnych do dalszej funkcjonalizacji chemicznej, na przykład poprzez reakcję z bezwodnikami i halogenkami acylowymi
  
• Zastosowanie jako wszechstronne prekursory hybrydowych materiałów dendrytyczno-liniowych ⁶
  
• Wysoki stopień rozgałęzienia, który skutkuje wysoką rozpuszczalnością i niską lepkością (w roztworze i stopie)
  
• Zastosowanie jako wielofunkcyjne inicjatory i sieciujące polimeryzacje z otwarciem pierścienia i termoutwardzalne
  
• Przezroczystość dla światła w zakresie długości fal ultrafioletowych i widzialnych

Wszystkie dendrony poliestrowe i polimery hiperrozgałęzione są rozpuszczalne w wodzie i polarnych rozpuszczalnikach organicznych (metanol, THF, DMF, DMSO). Wykazano, że makrocząsteczki dendrytyczne bis-MPA są biokompatybilne i biodegradowalne, z nietoksycznymi produktami degradacji. To sprawia, że szczególnie dobrze nadają się do dostarczania leków i innych zastosowań biomateriałów. ⁷

Referencje

1. Dvornic P, Uppuluri S. 2002. In Dendrimers and Other Dendritic Polymers. John Wiley & Sons, Ltd.

2. Lee CC, MacKay JA, Fréchet JMJ, Szoka FC. 2005. Designing dendrimers for biological applications. Nat Biotechnol. 23(12):1517-1526. https://doi.org/10.1038/nbt1171

3. Svenson S, Chouhan A, Reyna L, Tomalia D. 2007. Solubility enhancement of poorly water soluble molecules using Dendrimers.. Material Matters. 224-26..

4. Wu P, Malkoch M, Hunt JN, Vestberg R, Kaltgrad E, Finn MG, Fokin VV, Sharpless KB, Hawker CJ. 2005. Multivalent, bifunctional dendrimers prepared by click chemistry. Chem. Commun..(46):5775. https://doi.org/10.1039/b512021g

5. Gillies ER, Fréchet JMJ. 2002. Designing Macromolecules for Therapeutic Applications:  Polyester DendrimerPoly(ethylene oxide) ?Bow-Tie? Hybrids with Tunable Molecular Weight and Architecture. J. Am. Chem. Soc.. 124(47):14137-14146. https://doi.org/10.1021/ja028100n

6. Arce E, Nieto PM, Díaz V, Castro RG, Bernad A, Rojo J. 2003. Glycodendritic Structures Based on Boltorn Hyperbranched Polymers and Their Interactions withLens culinarisLectin. Bioconjugate Chem.. 14(4):817-823. https://doi.org/10.1021/bc034008k

7. Padilla De Jesús OL, Ihre HR, Gagne L, Fréchet JMJ, Szoka FC. 2002. Polyester Dendritic Systems for Drug Delivery Applications:  In Vitro and In Vivo Evaluation. Bioconjugate Chem.. 13(3):453-461. https://doi.org/10.1021/bc010103m