Unsaturated macrolactone polymerization followed by its modification and crosslinking via click chemistry-based reactions

Abstract

Poliésteres alifáticos estão entre os polímeros biodegradáveis mais utilizados em aplicações biomédicas. A síntese de poliésteres pode ser conduzida por duas rotas principais: polimerização por abertura de anel e policondensação. Neste trabalho, o poliéster poli(globalide) foi sintetizado via polimerização enzimática por abertura de anel em solução e em miniemulsão a partir da macrolactona insaturada globalide. O efeito da concentração de enzima na e-ROP em solução utilizando Novozym 435 (NVZ 435, lipase B de Candida antarctica imobilizada em suporte poroso) mostrou que as massas molares não foram alteradas (de forma acentuada) quando utilizadas diferentes concentrações de enzima, permanecendo em torno de 30.000 g mol-1 (Mw). As reações conduzidas em solução com a lipase NS88011 (lipase B de Candida antarctica imobilizada em suporte mais barato quando comparado com a lipase NVZ435) mostraram que maiores massas molares (Mw 60.500 g mol-1) podem ser obtidas quando esta enzima é utilizada na e-ROP, em comparação aos poliésteres obtidos com a Novozym 435, e períodos de reação mais longos são necessários para a obtenção de rendimentos na faixa de 80-90%. Lipases livres (CALB e NS40116) foram utilizadas para a obtenção de nanopartículas de PGl via polimerização enzimática por abertura de anel (e-ROP) em miniemulsão. Diâmetros na faixa de 70 a 280 nm foram obtidos quando CALB foi utilizada como biocatalisador e massas molares na faixa entre 6.800 a 23.200 g mol-1 foram atingidas. Entretanto, nanopartículas sintetizadas com NS40116 mostraram-se instáveis e apenas diâmetros acima do limite de detecção do equipamento foram encontrados (6 µm). Após a síntese e caracterização de PGl via e-ROP em solução e miniemulsão, duas estratégias diferentes de click-chemistry foram utilizadas para a modificação da cadeia polimérica. A primeira estratégia utilizada foi a modificação pós-polimerização de PGl via reações tiol-eno. Três tióis contendo grupamentos fosfoéster foram sintetizados em tolueno para obter compostos puros com rendimentos acima de 60% após purificação em coluna de silica. Assim, os tióis sintetizados foram adicionados na cadeia de PGl e parâmetros como razão molar tiol:eno e concentração de iniciador foram avaliados. Resultados de conversão em dupla ligação e propriedades térmicas dos polímeros foram afetados pelo tamanho da cadeia do tiol utilizado. Quando TF2 foi adicionado na cadeia de PGl, conversões em dupla ligação de 14 a 84% foram obtidas e o polímero com 14% de modificação foi escolhido para produzir fibras via eletrofiação. Fibras homogêneas e sem a presença de grânulos na faixa de 11 µm foram obtidas e este material mostrou-se não tóxico em células de fibroblastos. Em uma segunda metodologia, a cadeia polimérica de PGl foi modificada ou reticulada via reações com triazolinedionas (TADs). PGl foi modificado com TAD monofuncional (4-phenyl-1,2,4-triazoline-3,5-dione) para obter polímeros com elevado grau de modificação (97%) em reação conduzida em THF em um sistema livre de catalisador e iniciadores. Com o intuito de obter scaffolds porosos, fibras de PGl foram obtidas por eletrofiação e reticuladas com TADs bifuncionais para uma melhoria nas propriedades mecânicas do material. De uma forma geral, a química de triazolinedionas mostrou-se eficiente para introduzir funcionalidades e reticulações na cadeia de PGl e modificar as propriedades térmicas e mecânicas do polímero.

Abstract: Aliphatic polyesters are among the most used biodegradable polymers in biomedical applications. Polyesters synthesis can be conducted by two main routes: polycondensation and ring-opening polymerization. In this work, poly(globalide) (PGl) polyester was synthesized by enzymatic ring-opening polymerization in solution and miniemulsion from the unsaturated macrolactone globalide (Gl). Polymerization kinetics of Gl e-ROP in solution showed that different enzyme concentrations did not affect polymer molecular weight when Novozym 435 (NVZ 435, Candida antarctica B lipase immobilized on a porous support) was used as biocatalyst and, molecular weights in a range of 30,000 g mol-1 (Mw) were obtained. On the contrary, when NS88011 (Candida antarctica B lipase immobilized on a cheaper support than NVZ 435) was used as biocatalyst, the molecular weights and yields were highly affected by the enzyme concentration and the kinetics were slower than in the NVZ435 case. However, higher molecular weights were reached when NS88011 was used. Free lipases (CALB and NS40116) were used to conduct miniemulsion e-ROP of Gl. PGl nanoparticles diameters from 70 to 280 nm and molecular weights ranging from 6,800 to 23,200 g mol-1 were obtained with CALB. Nanoparticles formed by the NS40116 catalyzed system were non-stable under the tested conditions and diameters were always above the measurement limit of the dynamic light scattering equipment (6 µm). After PGl synthesis and characterization via e-ROP in solution and miniemulsion, two different strategies were used to modify their structure via click chemistry. In the first approach, post-polymerization modification of PGl was conducted via thiol-ene reactions. Three different thiols containing phosphoester groups were synthesized in toluene resulting in yields greater than 60% after silica column purification. After that, these compounds were attached to the poly(globalide) backbone and the effects of thiol:ene ratio and initiator concentration were evaluated. Double bound conversions and polymer thermal properties were related to the thiol chain length. When diethyl 6-mercapto-1-hexyl phosphate was added to PGl chain, double bond conversions from 14 to 84% were reached. Modified polymer with 14% of double bond conversion was processed to obtain fibers with diameters around 11 µm via electrospinning, which were non-toxic to fibroblast cells. In the second approach, PGl chain was either modified or crosslinked via triazolinedione (TAD) reactions. PGl was modified with 4-phenyl-1,2,4-triazoline-3,5-dione (PTAD) to obtain high degree of modification (97%) in a reaction conducted with THF as solvent and without catalyst or initiator. In order to obtain porous scaffolds, plain PGl fibers were obtained by electrospinning and crosslinked with two different bifunctional TAD molecules (hexamethylene bis-TAD or MDP bis-TAD) to tune the mechanical properties of the fibers. In summary, TAD chemistry proved to be efficient in introducing functionalities and chemical crosslinks in the PGl chain and changing its thermal and mechanical properties.