Θερμοευαίσθητα υπερδιακλαδισμένα πολυμερή: μελέτη παραγώγων υπερδιακλαδισμένης πολυ(αιθυλενιμίνης)

Abstract

Στην παρούσα εργασία περιγράφεται η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός παραγώγων υπερδιακλαδισμένης πολυ(αιθυλενιμίνης), (ΗΡΕΙ), μετά από υποκατάσταση των αμινών της με ισοβουτυλαμιδικές ομάδες. Συγκεκριμένα, παρασκευάστηκαν τα παράγωγα ΗΡΕΙ 100-90, ΗΡΕΙ 100-70, ΗΡΕΙ 100-50, ΗΡΕΙ 100-40 και 100-0, των οποίων οι πρωτοταγείς αμινομάδες έχουν υποκατασταθεί κατά 100% και οι δευτεροταγείς κατά 90, 70, 50, 40 και 0% αντίστοιχα. H εισαγωγή της ισοβουτυλαμιδικής ομάδας επιβεβαιώθηκε σ’ όλες τις περιπτώσεις με φασματοσκοπία 1Η ΝΜR, FTIR και 13C NMR αντίστροφης εισόδου (inverse gated 13C NMR). Επιπλέον, με την φασματοσκοπία IG 13C NMR προσδιορίστηκε το ποσοστό υποκατάστασης των πρωτοταγών και δευτεροταγών αμινών. Η τροποποίηση αυτή είχε ως αποτέλεσμα την παραγωγή θερμοευαίσθητων υλικών σε όλες τις περιπτώσεις πλην του παραγώγου HPEI 100-0. Για όλα τα θερμοευαίσθητα παράγωγα μελετήθηκε η επίδραση του βαθμού υποκατάστασης των δευτεροταγών αμινών στην κατώτερη κρίσιμη θερμοκρασία υδατικού διαλύματος (LCST) μεταβάλλοντας τις ακόλουθες παραμέτρους: (α) συγκέντρωση πολυμερούς, (β) συγκέντρωση φωσφορικών αλάτων, (γ) συγκέντρωση χλωριούχου νατρίου και (δ) pH. Ιδιαίτερα ευαίσθητο στις μεταβολές των παραμέτρων ήταν το παράγωγο HPEI 100-40, ενώ αντίθετα το ΗΡΕΙ 100-90 ήταν αυτό στο οποίο έγιναν λιγότερο αισθητές. Για κάθε παράγωγο, η μείωση της συγκέντρωσης του πολυμερούς ή των φωσφορικών αλάτων ή του NaCl ή του pH μετατόπισε την LCST σε μεγαλύτερες τιμές. Για όλες τις παραμέτρους που μελετήθηκαν, αυξανόμενης της υποκατάστασης των δευτεροταγών αμινομάδων του ΗΡΕΙ, μειώθηκε η LCST, επίδραση που έγινε ιδιαίτερα σημαντική για ποσοστό μικρότερο του 70%. Μεταξύ των παραγώγων που συντέθηκαν, το ΗΡΕΙ 100-50 παρουσίασε, αναλόγως της σύστασης της υδατικής φάσης, κατώτερες κρίσιμες θερμοκρασίες διάλυσης μεταξύ 36-40 οC, περιοχή ευνοϊκή για βιοϊατρικές εφαρμογές. Για το λόγο αυτό, μελετήθηκε περαιτέρω με μετρήσεις δυναμικής σκέδασης φωτός που επιβεβαίωσαν την επίδραση της συγκέντρωσης φωσφορικών αλάτων και χλωριούχου νατρίου και, επιπλέον, έδωσαν πληροφορίες για το μέγεθος και την κατανομή μεγέθους των συσσωματωμάτων που σχηματίστηκαν κατά τη μετάπτωση. Καθώς η υπερδιακλαδισμένη πολυ(αιθυλενιμίνη) χαρακτηρίζεται από χαμηλή τοξικότητα και ήδη χρησιμοποιείται ευρέως in vitro και in vivo στην μελέτη μεταφοράς γονιδιακού υλικού, τα θερμοευαίσθητα πολυμερή που συντέθηκαν, και ιδιαίτερα το ΗΡΕΙ 100-50, μπορούν να μελετηθούν περαιτέρω ως «έξυπνα» πολυμερή για την ανάπτυξη συστημάτων μεταφοράς φαρμάκων.

Ιn this study, the synthesis and characterization of hyperbranched polyethylenimine (ΗΡΕΙ) derivatives after functionalization of its primary and secondary amines with isobutyl amide groups, is described. In particular, ΗΡΕΙ 100-90, ΗΡΕΙ 100-70, ΗΡΕΙ 100-50, ΗΡΕΙ 100-40 and 100-0 were synthesised with 100% substitution of their primary amines and 90, 70, 50, 40 and 0% substitution of their secondary amines, respectively. The introduction of the isobutyl amide group was established in all cases using 1Η ΝΜR, FTIR and inverse gated 13C NMR (IG 13C NMR) spectroscopy. In addition, employing IG 13C NMR, the degree of substitution of primary and secondary amines was determined. The functionalized derivatives obtained are thermoresponsive in all cases, with the exception of HPEI 100-0. For all thermoresponsive dendritic derivatives, the effect of the degree of substitution of secondary amines οn the Lower Critical Solution Temperature (LCST) in aqueous media was studied as a function of the following parameters: (a) polymer concentration, (b) phosphate salt concentration, (c) sodium chloride concentration and (d) pH. The LCST of HPEI 100-40 derivative was the most sensitive to the parameters studied, while HPEI 100-90 was the less sensitive. For every derivative, the reduction of polymer concentration, phosphate salt concentration, sodium chloride concentration, or pH led to higher LCST values. Finally, increasing the degree of substitution of the secondary amines, led to lower LCST values. This effect is significant for derivatives with secondary amine’s substitution below 70%. Among the derivatives studied, HPEI 100-50 showed, depending on the composition of the aqueous phase, lower critical solution temperatures in the range of 36-40 οC, which are favorable for biomedical applications. For this reason, it was further studied with dynamic light scattering measurements, which confirmed the effect of phosphate salt and sodium chloride concentration on LCST, and furthermore, yielded information on the size and the size distribution of the aggregates formed during transition. Given that, HPEI has low toxicity and is being used for gene transfection in in vitro and in vivo experiments, the thermoresponsive hyperbranched polymers obtained, and specially the derivative HPEI 100-50, have the potential to be employed as “smart” polymeric systems applicable in drug delivery applications.