ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2013, том 55, № 2, с. 149-157
ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТЫ
УДК 541(64+13+49)
ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ПОЛИФЕНИЛЕНПИРИДИНИЕВЫХ ДЕНДРИМЕРОВ1
© 2013 г. |А В. Лезов|, Г. Е. Полушина*, А. А. Лезов*, В. А. Изумрудов***, Н. В. Кучкина**, Е. Ю. Юзик-Климова**, З. Б. Шифрина**
* Санкт-Петербургский государственный университет. Физический факультет 198504 Санкт-Петербург, Ульяновская ул., 1 ** Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук
119991 Москва, Вавилова ул., 28 *** Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. Химический факультет
119991 Москва, Ленинские горы Поступила в редакцию 13.03.2012 г. Принята в печать 29.08.2012 г.
Методом динамического светорассеяния определены размеры растворимых полиэлектролитных комплексов, образующихся при смешении растворов жестких полифениленпиридиниевых дендри-меров различных генераций, алкилированных диметилсульфатом, с раствором полистиролсульфо-ната натрия. Изучено влияние длины цепи полианиона и номера генерации дендримера, а также зарядового отношения полимерных компонентов на размеры комплексов. Результаты работы согласуются с данными теоретического анализа взаимодействия заряженного дендримера с полиэлектролитом другого знака заряда и свидетельствуют о самопроизвольном образовании частиц водорастворимых комплексов нанометрового размера.
Б01: 10.7868/80507547513020098
ВВЕДЕНИЕ
Наличие ионных и ионогенных групп в молекулах дендримеров определяет их способность растворяться в водных и водно-солевых средах и формировать комплексы с противоположно заряженными полиэлектролитами. К настоящему времени достаточно подробно изучено взаимодействие нуклеиновых кислот с катионными водорастворимыми полипропилениминовыми [1— 3] и полиамидоаминовыми [4, 5] дендримерами. Коммерчески доступные препараты указанных дендримеров различных генераций уже сейчас используют в качестве носителей генетического материала для трансфекции, т.е. доставки ДНК плазмид или малых интерферирующих РНК в клетки in vitro. На повестке дня стоит задача осуществления и контроля тех же процессов in vivo, что необходимо для успешного развития генной терапии. Поэтому модельные исследования по
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (коды проектов 11-03-00064 и 11-03-00739) и Федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009—2013 гг." (Госконтракт № 14.740.11.0380).
E-mail: izumrud@genebee.msu.su (Изумрудов Владимир Алексеевич).
изучению механизмов внутриклеточных процессов с участием комплексов катионных дендриме-ров с нуклеиновыми кислотами, которые получили название "дендриплексы", приобретают особую значимость.
Недавно были синтезированы полифенилен-пиридиновые дендримеры различных генераций [6], которые удалось перевести в растворимое состояние путем исчерпывающего алкилирования пиридиновых групп с образованием пиридиние-вых катионов [7—10]. Отличительной чертой образующихся катионных водорастворимых полифениленпиридиниевых дендримеров (ПФПД) является высокая жесткость, которая практически не изменяется при переходе к старшим генерациям и определяет строгое пространственное расположение функциональных групп в молекулах дендримеров. Поскольку количество и местонахождение таких групп можно направленно менять подбором мономерных блоков на этапе синтеза исходных дендримеров [6], ПФПД представляют собой удобные объекты для изучения факторов, влияющих на образование и свойства дендриплексов.
Эффективность подхода была продемонстрирована при исследовании модельных систем, состоящих из ПФПД различных генераций и синте-
тических полианионов [7—9] или ДНК [10]. Изучение смесей растворов компонентов методом тушения флуоресценции, а также результаты фазового анализа выявили способность ПФПД образовывать полиэлектролитные комплексы, которые могут переходить в раствор. Особый интерес представляют катионные растворимые дендриплексы, образующиеся при значительном избытке дендримера. Положительный заряд дендриплексов способствует их связыванию с отрицательно заряженной клеточной мембраной, а устойчивость при физиологических значениях рН и ионной силы раствора обеспечивает стабильность дендриплексов в культуральных средах [6, 10].
Настоящая работа является следующим важным шагом проводимых исследований. Предпринятое изучение смесей ПФПД второй, третьей и четвертой генераций с образцами полистирол-сульфоната натрия различной молекулярной массы позволило выявить влияние номера генерации дендримера и длины цепи полианиона на размеры растворимых комплексов при разных зарядовых отношениях.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Материалы
Предшественниками ПФПД служили полифе-ниленпиридиновые дендримеры второй, третьей и четвертой генераций, синтезированные дивергентным методом, которые содержали максимальное количество пиридиновых групп в молекулах [6]. Катионные водорастворимые ПФПД тех же генераций, которые в дальнейшем будем обозначать G2, G3 и G4, получали алкилировани-ем пиридиновых групп диметилсульфатом. Степень алкилирования определяли по элементному анализу на серу в противоионе и из спектров ЯМР 1Н по соотношению площадей сигналов алифатических протонов метильных групп и сигналов протонов ароматических фрагментов. Содержание пиридиниевых (катионных) групп в молекулах G2, G3 и G4 соответствовало 27, 54 и 115, тогда как максимально возможное их количество, рассчитанное из структурных формул ПФПД составляло 30, 66 и 138 [6—10]. Ниже для примера приведена структурная формула катионного дендримера второй генерации G2 в предположении исчерпывающего алкилирования пиридиновых групп диметилсульфатом.
h3c Í^N
h3c
+ n <ch
h3c \jt +] ch3
+ n
nv
n
+
v^1
H3C"OvO x 30
-O' "O/
T + - n -jch1í3c-n +
n4/
"ch3
+
'N.'
ch3
h3c Г +
■лГ
h3c-n ^t h3c"7n
I +
'.n
>nch3 "n
3c
h3c
4n
h3c
+ 1
H3h3cn
3c
h3c h3c
V
Í + -n
+]
y "n-ch3
v^ch3
I +
n
+
/n+т \
n
chji + /
n.
+
+ 1
'n
ch3
, n c* .+j\ ch3
" ch3
,ch3
'n
+
В качестве полианионов использовали образцы полистиролсульфоната натрия (ПСС-Na) фирмы "Serva" (Германия) с разной степенью полимеризации N (табл. 1).
Методы
Динамическое светорассеяние измеряли при температуре 25.0 ± 0.1°С в диапазоне углов рассеяния 9 = 30°—130° на установке "PhotoCor Complex"
(Россия), снабженной коррелятором реального времени "РЬоШСог^С" (288 каналов) и одномо-довым гелий-неоновым лазером (А,0 = 632.8 нм). Градуировку установки проводили по бензолу и толуолу.
Автокорреляционные функции интенсивности рассеянного света обрабатывали с помощью программы "DynaLS", что позволило получить функции распределения по временам релаксации т. Зависимости обратного времени релаксации 1/т от квадрата вектора рассеяния
q
4nn0
X 0
sin(0/2) для всех исследованных полиме-
ров и дендримеров аппроксимировали прямыми, проходящими через начало координат, что свидетельствует о диффузионном характере наблюдаемых процессов. Коэффициент поступательной диффузии Б находили из наклона этих зависимостей согласно соотношению [11]
1 = Пд2 (1)
т
Гидродинамический радиус Я рассчитывали по формуле Стокса—Эйнштейна [12]:
R =
kT 6пц0Б
(2)
х = /RJ
Z /RJ
(3)
Таблица 1. Коэффициент поступательной диффузии Б0, экспериментальные и рассчитанные значения гидродинамического радиуса Я молекул ПСС-№ и ПФПД в воде
Образец D0x 107, см2/с R, нм (эксперимент/расчет)
ПСС19 18.8 1.0/0.8
ПСС78 11.6 2.0/1.7
ПСС316 6.3 4.0/3.4
G2 (27+)* 11.6 2.0/2.1
G3 (54+)* 8.7 3.0/2.9
G4 (115+)* 6.1 4.0/3.5
Массовую долю частиц Х1 типа г в смесях ПФПД и ПСС-№ вычисляли, используя формулу [13]
где ю;- — статистический вес пика, соответствующего гидродинамическому радиусу Яг на функции распределения по интенсивности рассеянного света. Уравнение (3) можно использовать для оценки величины XI, если произведение дЯг < < 1.73 [13, 14]. Для систем, исследованных в данной работе, значения дЯг варьировались от 0.013 до 0.72 во всем диапазоне изменения углов рассеяния. Показатель у в формуле (3) равен 3 для сферической частицы, 2 — для макромолекул в 0-условиях и 5/3 для полимеров в термодинамически хороших растворителях [14, 15]. Изменение значения у от 3 до 5/3 приводит к уменьшению массовой доли частиц с наименьшим размером на 20—24% и соответствующему росту доли компонент с большим гидродинамическим радиусом. Поскольку для изученных комплексов показатель у неизвестен, приведенные ниже величины Xг рассчитывали с использованием значения у = 2, т.е. эти величины следует рассматривать как инструмент качественной оценки долей разных компонент в смеси [14].
Значения с; -потенциала икомплексов денд-римера G3 с полианионами ПСС-№ измеряли на
Примечание. Индекс при ПСС обозначает степень полимеризации полианиона.
* Рассчитано из структурной формулы с учетом степени ал-килирования, число в скобках обозначает заряд молекул дендримера.
приборе "Zetasizer Nano-ZD" ("Malvern Instruments").
Навески дендримеров и полианионов растворяли в воде двойной дистилляции с показателем преломления n0 = 1.3324 и вязкостью п0 = 0.893 сП при комнатной температуре. Растворы ПФПД в исследованной области концентраций 0.02— 0.6 г/дл имели желто-коричневую окраску. Для каждого измерения непосредственно в кювете смешивали водный раствор ПФПД концентрации 0.3 г/дл с раствором ПСС-Na концентрации 0.08 г/дл в 0.005 М KCl при выбранном зарядовом отношении Z-/+, которое соответствовало отношению мольных концентраций стиролсульфо-натных звеньев ПСС-Na и пиридиниевых групп дендримера. Кювету помещали в термостат установки и проводили измерения светорассеяния несколько раз в течение не менее 48 ч до получения совпадающих значений.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Размеры дендримеров и полианионов в водных и водно-солевых средах
Гидродинамический радиус молекул ПФПД и ПСС-Na определяли методом динамического светорассеяния. Функции распределения интенсивности рассеянного света характеризовались одним пиком с максимумом, соответствующим времени релаксации т. Ко
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.