麻省理工学院化学家合成的可降解聚合物–会在体内分解

麻省理工学院化学家设计的一种新型聚合物结合了一种特殊的单体（黄色），可以帮助聚合物在某些条件下更容易分解。

麻省理工学院的化学家已经设计出一种合成聚合物的方法，该聚合物可以在体内和环境中更容易分解。

一种称为开环易位聚合或ROMP的化学反应可方便地用于构建各种用途的新型聚合物，例如纳米加工，高性能树脂以及输送药物或显像剂。但是，这种合成方法的一个缺点是，所得的聚合物在自然环境下（例如在体内）不会自然分解。

麻省理工学院的研究小组提出了一种通过在聚合物主链上添加新型结构单元来使这些聚合物更易降解的方法。这种新的结构单元或单体形成了化学键，可被弱酸，弱碱和离子（例如氟化物）分解。

麻省理工学院化学副教授，该研究的资深作者耶利米·约翰逊说：“我们认为这是在生物学上相关的条件下生产具有易降解性的ROMP聚合物的第一种通用方法。”“令人高兴的是，它可以使用标准的ROMP工作流程来工作；您只需要撒上新的单体，就非常方便。”

研究人员说，这种结构单元可以掺入聚合物中以用于多种用途，不仅包括医学应用，还包括工业用聚合物的合成，这些合成物在使用后分解速度会更快。

该论文的主要作者是麻省理工学院的博士后Peyton Shieh，该论文于2019年10月28日发表在《自然化学》上。博士后Hung VanThanh Nguyen也是该研究的作者。

强大的聚合

ROMP生成的聚合物最常见的构造单元是称为降冰片烯的分子，该分子包含一个环结构，可以轻松地打开并串在一起形成聚合物。可以在聚合发生之前将分子（例如药物或显像剂）添加到降冰片烯中。

Johnson的实验室已使用这种合成方法来制造具有许多不同结构的聚合物，包括线性聚合物，洗瓶刷聚合物和星形聚合物。这些新颖的材料可用于一次递送多种抗癌药物，或携带用于磁共振成像（MRI）和其他类型成像的成像剂。

约翰逊说：“这是非常强大的聚合反应。”“但是，最大的缺点之一是所生产的聚合物的主链完全由碳-碳键组成，因此，这些聚合物不易降解。在考虑为生物材料领域制造聚合物时，这始终是我们牢记的。”

为了解决这个问题，约翰逊的实验室专注于开发直径约为10纳米的小聚合物，这种聚合物比大颗粒更容易从体内清除。其他化学家试图通过使用降冰片烯以外的结构单元使聚合物降解，但这些结构单元的聚合效率不高。将药物或其他分子附着到它们上也更加困难，而且它们通常需要苛刻的条件才能降解。

约翰逊说：“我们更愿意继续使用降冰片烯作为使我们能够聚合这些复杂单体的分子。”“梦想是找到另一种类型的单体，并将其作为共聚单体添加到已经使用降冰片烯的聚合反应中。”

通过Shieh在另一个项目上所做的工作，研究人员得出了一个可能的解决方案。当他合成类似于降冰片烯但含有氧-硅-氧键的含环分子时，他正在寻找引发药物从聚合物释放的新方法。研究人员发现，这种称为甲硅烷基醚的环也可以通过ROMP反应打开并聚合，从而导致具有氧-硅-氧键的聚合物更容易降解。因此，研究人员决定不将其用于药物释放，而是尝试将其掺入聚合物主链中以使其降解。

他们发现，只需简单地将甲硅烷基醚单体与降冰片烯单体以1：1的比例添加，就可以创建与之前制造的聚合物结构相似的聚合物结构，而新单体在整个主链中的分布相当均匀。但是现在，当暴露于大约6.5的弱酸性pH值时，聚合物链开始断裂。

“这很简单，”约翰逊说。“这是一种单体，我们可以添加到广泛使用的聚合物中以使其降解。但是就这么简单，这种方法的例子却很少见。”

故障更快

在对小鼠的测试中，研究人员发现，在头一到两周内，可降解聚合物在体内的分布与原始聚合物相同，但此后不久它们便开始分解。六周后，体内新聚合物的浓度比原始聚合物的浓度低三到十倍，这取决于研究人员使用的甲硅烷基醚单体的确切化学组成。

研究结果表明，将这种单体添加到聚合物中进行药物递送或成像可以帮助它们更快地从体内清除。

约翰逊说：“我们对使用该技术精确调节生物组织中基于ROMP的聚合物分解的前景感到兴奋，我们认为可以利用该技术来控制生物分布，药物释放动力学和许多其他特征。”

研究人员还开始着手将新的单体添加到工业树脂中，例如塑料或粘合剂。他们认为将这些单体掺入工业聚合物的生产过程中以使其具有更高的降解性在经济上是可行的，并且他们正在与Millipore-Sigma合作将该单体家族商业化并使其可用于研究。

###

参考：Hung V.-T的Peyton Shieh撰写的“经过修饰的甲硅烷基醚单体可通过ROMP实现基于骨架的可降解的基于聚降冰片烯的线性，牙刷和星形共聚物”。阮和耶利米·约翰逊（Jeremiah A.Johnson），2019年10月28日，自然化学。
10.1038 / s41557-019-0352-4

该研究由美国国立卫生研究院，美国癌症协会和美国国家科学基金会资助。