Dendritic surface functionalization of nanomaterials: controlling properties and functions for biomedical applications

A wide variety of nanomaterials have demonstrated promise in medical applications such as drug delivery and imaging. In these applications, the surface chemistry of the materials is critical as it plays an important role in determining the toxicity and biodistribution behavior of the material. We review here the functionalization of nanomaterials with dendrons as an efficient method to alter the surface chemistry of the materials, introducing new properties and functions. Described here is the functionalization of superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIO) with dendritic guanidines to enhance their transport into cells for magnetic resonance imaging applications. The introduction of dendrons bearing peripheral hydroxyls, amines, guanidines, carbohydrates and Gd(III) chelates to polymer vesicles (polymersomes) is also described. These dendritic moieties allow for modulation of toxicity, cell uptake, protein binding, and contrast agent efficiency, while at the same time allowing the stabilities of the polymersomes to be maintained. Thus, this approach holds promise for the development of a wide range of multifunctional materials for pharmaceutical applications.

Uma grande variedade de nanomateriais tem demonstrado aplicações médicas promissoras, tais como liberação de fármacos e em imagens. Nestas aplicações, a superfície química dos materiais é crítica, uma vez que exerce papel importante na determinação da toxicidade e comportamento de biodistribuição do material. Aqui, nós revisamos a funcionalização de nanomateriais, como dendrons, como método eficiente de alterar a superfície química destes compostos, introduzindo novas propriedades e funções. Descritos aqui estão nanopartículas superparamagnéticas de óxido de ferro (do inglês, SPIO), com guanidinas dendríticas para aumentar seu transporte para o interior das células, úteis em imagens de ressonância magnética. A introdução de dendrons contendo hidroxilas, aminas, guanidinas, carboidratos e quelatos de Gd(III) periféricos em vesículas poliméricas (polymersomes) também está descrita. Esses grupos dendríticos permitem a modulação de toxicidade, captura celular, ligação à proteína e eficiência como agente de contraste, enquanto que, ao mesmo tempo, permitem a manutenção da estabilidade das vesículas poliméricas. Assim, essa abordagem é promissora para o desenvolvimento de grande variedade de materiais multifuncionais para aplicações farmacêuticas.

Synthesis and MALDI-ToF characterization of dendronized poly(ethylene glycol)s

Well-defined hybrids of linear poly(ethylene glycol)s (PEGs) and dendritic polyesters were prepared via the dendronization of the alcohol end groups of the mono and difunctional linear PEGs. Though useful for rudimentary product characterization, GPC and NMR could not verify the overall structural purity of these linear-dendritic hybrids. On the other hand, the detailed data provided by MALDI-ToF mass spectrometry enabled confirmation of the high structural purity of the dendronized PEGs at each step of the dendronization procedure. The well-defined number of functionalities on these dendronized PEGs, renders them particularly useful for research in the biomedical sphere where functionality and purity are of the utmost importance. The MALDI-ToF mass spectrometric approach described herein represents a valuable technique for detailed monitoring of these dendronization reactions, as well as a variety of other polymer end group modifications.

Híbridos bem definidos de poli(etilenoglicol) lineares (PEGs) e poliésteres dendriméricos foram preparados via "dendronização" de álcool e grupos de PEGs lineares mono e bifuncionais. Embora úteis para a caracterização rudimentar de produtos, Cromatografia por Permeação em Gel e RMN podem não demonstrar a pureza estrutural global desses híbridos lineares dendríticos. Por outro lado, informações detalhadas provenientes de espectrometria de massas MALDI-ToF permitiram a confirmação de elevada pureza estrutural de PEGs "dendronizados" em cada passo do processo de "dendronização". O número de funcionalidades bem definidas destes PEGs "dendronizados", torna-os particularmente úteis para pesquisa na área biomédica, na qual funcionalidade e pureza são de grande importância. A abordagem de espectrometria de massas MALDI-ToF descrita aqui representa uma técnica valiosa para o monitoramento detalhado destas reações de "dendronização", bem como diversas modificações de outros polímeros e grupos.

From dendrimers to fractal polymers and beyond

The advent of dendritic chemistry has facilitated materials research by allowing precise control of functional component placement in macromolecular architecture. The iterative synthetic protocols used for dendrimer construction were developed based on the desire to craft highly branched, high molecular weight, molecules with exact mass and tailored functionality. Arborols, inspired by trees and precursors of the utilitarian macromolecules known as dendrimers today, were the first examples to employ predesigned, 1 → 3 C-branched, building blocks; physical characteristics of the arborols, including their globular shapes, excellent solubilities, and demonstrated aggregation, combined to reveal the inherent supramolecular potential (e.g., the unimolecular micelle) of these unique species. The architecture that is a characteristic of dendritic materials also exhibits fractal qualities based on self-similar, repetitive, branched frameworks. Thus, the fractal design and supramolecular aspects of these constructs are suggestive of a larger field of fractal materials that incorporates repeating geometries and are derived by complementary building block recognition and assembly. Use of terpyridine-M2+-terpyridine (where, M = Ru, Zn, Fe, etc) connectivity in concert with mathematical algorithms, such as forms the basis for the Seirpinski gasket, has allowed the beginning exploration of fractal materials construction. The propensity of the fractal molecules to self-assemble into higher order architectures adds another dimension to this new arena of materials and composite construction.

O advento da química dendrítica tem facilitado a pesquisa de materiais por permitir o controle preciso do posicionamento do componente funcional na arquitetura macromolecular. Os protocolos sintéticos iterativos usados para construção dos dendrímeros foram desenvolvidos baseados no desejo de elaborar moléculas extremamente ramificadas, com alta massa molecular, massa exata e funcionalidade planejada. Arborols, inspirados em árvores e precursores de macromoléculas utilitárias, conhecidas hoje como dendrímeros, foram os primeiros exemplos a empregar blocos de construção de ramificação-C 1→3; Características físicas dos Arborols, incluindo a sua forma globular, excelente solubilidade, e agregação, combinam-se para revelar o potencial supramolecular inerente (isto é, a micela unimolecular) destas espécies únicas. A arquitetura que é característica dos materiais dendríticos também exibe qualidades fractais com base em estruturas repetitivas, ramificadas e auto-similares. Assim, o design fractal e os aspectos supramoleculares destas construções são sugestivas de um campo maior de materiais fractais que incorporam geometrias repetidas. O uso de terpiridina-M2+-terpiridina (onde, M = Ru, Zn, Fe, etc) em conjunto com algoritmos matemáticos tais como as formas da base do Triângulo de Seirpinski, tem permitido o início da exploração da construção de materiais fractais. A propensão da auto-criação de moléculas fractais para arquiteturas de ordem superior adiciona outra dimensão para essa nova arena de materiais e construção de compostos.

Glycodendrimers: versatile tools for nanotechnology

Combining nanotechnology with glycobiology has triggered an exponential growth of research activities in the design of novel functional bionanomaterials (glyconanotechnology). More specifically, recent synthetic advances towards the tailored and versatile design of glycosylated nanoparticles namely glyconanoparticles, considered as synthetic mimetics of natural glycoconjugates, paved the way toward diverse biomedical applications. The accessibility of a wide variety of these structured nanosystems, in terms of shapes, sizes, and organized around stable nanoparticles have readily contributed to their development and applications in nanomedicine. In this context, glycosylated gold-nanoparticles (GNPs), glycosylated quantum dots (QDs), fullerenes, single-wall natotubes (SWNTs), and self-assembled glycononanoparticles using amphiphilic glycopolymers or glycodendrimers have received considerable attention to afford powerful imaging, therapeutic, and biodiagnostic devices. This review will provide an overview of the most recent syntheses and applications of glycodendrimers in glycoscience that have permitted to deepen our understanding of multivalent carbohydrate-protein interactions. Together with synthetic breast cancer vaccines, inhibitors of bacterial adhesions to host tissues including sensitive detection devices, these novel bionanomaterials are finding extensive relevance.

A combinação de nanotecnologia com glicobiologia tem desencadeado o crescimento exponencial de atividades de pesquisa em desenvolvimento de novos biomateriais funcionais (gliconanotecnologia). Mais especificamente, recentes avanços sintéticos para o planejamento sob medida e versátil de nanopartículas glicosiladas, ou seja, gliconanopartículas, consideradas como miméticos sintéticos de glicoconjugados naturais, prepararam o caminho para diversas aplicações biomédicas. A acessibilidade da grande variedade destes nanossistemas estruturados, em termos de forma, tamanho e organização, tem prontamente contribuído para seu desenvolvimento e aplicações em nanomedicina. Neste contexto, nanopartículas de ouro glicosiladas (do inglês, GNPs), pontos quânticos glicosilados (do inglês, QDs), fulerenos, nanotubos de parede simples (do inglês, SWNTs) e gliconanopartículas autoconstruídas usando glicopolímeros anfifílicos ou glicodendrímeros têm recebido considerável atenção para originar poderosos instrumentos de imagem, terapêutico e de biodiagnóstico. Esta revisão fornecerá a visão global das mais recentes sínteses e aplicações de glicodendrímeros em glicociência que têm permitindo aprofundar nosso conhecimento das interações multivalentes proteína-carboidrato. Estes novos biomateriais estão sendo considerados de grande relevância, junto com vacinas sintéticas de câncer de mama, inibidores de adesão bacteriana em tecidos hospedeiros incluindo instrumentos de detecção sensível.