Synthesis of cationic star polymers via RAFT polymerization

Abstract

The aim of this master thesis is to synthesize cleavable, core-crosslinked, cationic, new star polymers as potential siRNA carrier systems. The core-crosslinked star polymers of aminoethyl aminoethyl methacrylate (AEAEMA) monomer were synthesized for the first time in the literature. A crosslinker, potentially cleavable in cell cytosol, bis(2-methacryloyl) oxyethyl disulfide, and AEAEMA monomer with Boc-protection groups (BocAEAEMA) were polymerized using P(OEGMA) macroRAFT agents (5 kDa or 10 kDa). The polymerization kinetics revealed a linear increase in ([M]0/[M]) with increasing polymerization time, indicating the RAFT-controlled polymerization mechanism. The incorporation of arms into star structure completed between 2 and 8 hours of polymerization, leading to star formation yields of approx. 55%. Star polymers with narrow PDI values (between 1.52 and 1.80) and controllable molecular weights (between 116 kDa and 620 kDa) were synthesized using a P(OEGMA) macroRAFT agent of 10 kDa. Increasing crosslinker to macroRAFT agent ratio led to increase in crosslinker conversion and decrease in BocAEAEMA conversion. Increasing BocAEAEMA to macroRAFT agent ratio had the exact opposite effect. The use of a macroRAFT agent of 5 kDa led to a dramatic increase in molecular weight (up to 3370 kDa). The hydrodynamic sizes (Dh) of water soluble, cationic star polymers, obtained after deprotection of amino groups, dropped from 2-36 nm to 1-18 nm after treatment with a reducing agent in water, indicating the cleavable nature of the star structures. Among the star polymers tested, the polymer having 7 arms of POEGMA (10 kDa) and a degree of polymerization of AEAEMA (DPAEAEMA) of 70 efficiently complexed with siRNA at a nitrogen/phosphate ratio of 1. While this polymer showed higher cytotoxicity, when compared with other star polymers tested, all polymers were significantly less toxic, compared to branched PEI, a golden standard cationic polymer for siRNA delivery.

Bu tez çalışmasının amacı, RAFT polimerizasyona tekniği ile çapraz bağlanmış, katyonik yıldız polimerlerin, potansiyel siRNA taşıyıcı sistemleri olarak sentezlenmesidir. Polimerizasyonlar, katyonik (2-((tert-butoksikarbonil) (2-((tert-butoksikarbonil) amino) etil) amino) etil metakrilat (BocAEAEMA) monomeri ve çift fonksiyonlu biyobozunur bis(2-metakriloil) oksietildisülfit çapraz bağlayıcı monomeri varlığında gerçekleştirilmiştir. BocAEAEMA varlığı ile yıldız polimer sentezi literatürde ilk kez rapor edilmektedir. Polimerizasyon mekanizmasının iyi anlaşılması için değişen polimerleşme zamanlarıyla (2, 8, 16 ve 24 saat) kinetik çalışmaları yapılmıştır. ([M]0/[M]) oranının zamana bağlı olarak doğrusal değişimi polimerlerin kontrollü RAFT polimerizasyon mekanizmasıyla başarıyla sentezlendiğini kanıtlamıştır. Kol katılımının 2 ve 8 saat arasında tamamlandığı ve polimer verimliliğinin 8 saat sonrası %55 değerlerinde sabitlendiği görülmüştür. Dar PDI aralığında (1.52-1.80) ve molekül ağırlığı kontrollü olarak değişen (116 kDa- 620 kDa) yıldız polimerler başarıyla sentezlenmiştir. Bunun yanı sıra, BocAEAEMA/çapraz bağlayıcı oranları ve kol uzunlukları (5 kDa ve 10 kDa) değiştirilerek bu parametrelerin yıldız tipli yapı oluşumdaki etkisi incelenmiştir. Kısa kollu yapıların daha yüksek molekül ağırlıklarına sahip oldukları gözlenmiştir (3370 kDa). Boc gruplarının uzaklaştırılmasıyla suda çözünebilir olan polimerler (2-36 nm), suda çözünebilir bir indirgeyici olan TCEP eklendikten sonra bozunma profilleri incelenmiş ve hidrodinamik boyutlarında (Dh) küçülme gözlenmiştir (1-18 nm). Test edilen polimerler arasında, kol sayısının 7 ve katyonik blok molekül ağırlığının 14 kDa olduğu yıldız polimerinin düşük polimer/siRNA (N/P=1) oranlarında bile kompleks oluşturabildiği görülmüştür. Ayrıca, test edilen tüm yıldız polimerlerin, siRNA taşınımı için altın standart olarak kullanılan PEI’den daha az toksit olduğu ve kendi içlerinde ise katyonik blok uzunluğuna ve hidrofilik P(OEGMA) kol sayısına bağlı olarak hücre canlılığı etkilediği gözlenmiştir.