給大家介紹的文章是近期發(fā)表在Macromolecules上的Organocatalytic Ring-Opening Polymerization Toward Poly(γ-amide-ε-caprolactone)s with Tunable Lower Critical Solution Temperatures，文章的通訊作者是華東理工大學(xué)的郎美東教授與肖艷副研究員。
在過去幾十年中，具有環(huán)境響應(yīng)性的智能材料在社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。在生物材料領(lǐng)域，能夠在各種化學(xué)或物理環(huán)境刺激下產(chǎn)生響應(yīng)的聚合物體系作為在藥物、基因遞送等過程中的載體，需求巨大。其中最常見的一類具有溫度響應(yīng)的聚合物是最低臨界溶液溫度（LCST）接近人體溫的聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）。該聚合物原料易得，聚合方法簡單，且響應(yīng)靈敏，又具有一定濃度耐受性。然而，PNIPAM存在聚合物主鏈生物不可降解的問題。
為解決這一問題，Stefan等人制備了側(cè)鏈修飾低聚乙二醇（OEG）的聚（ε-己內(nèi)酯）（PCL），其LCST約為39 oC，能夠通過共聚組成膠束，用于藥物遞送。而前人的研究表明，側(cè)鏈具有酰胺結(jié)構(gòu)的熱敏PCL雖然同樣具有LCST，但其在LCST上的聚集形態(tài)與PNIPAM不同。在LCST上脫水時(shí)，PNIPAM經(jīng)歷無規(guī)線團(tuán)-球形轉(zhuǎn)變，而具有酰胺取代基的PCL則形成凝聚層結(jié)構(gòu)。
就獲得這些聚酯材料的聚合方法而言，在對(duì)內(nèi)酯開環(huán)聚合的研究中，一般認(rèn)為因?yàn)榄h(huán)張力的驅(qū)動(dòng)，小環(huán)與中環(huán)結(jié)構(gòu)更容易生成聚合物。常見的具有較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的內(nèi)酯單體的開環(huán)聚合則常需要特殊的催化劑才能進(jìn)行，包括Lewis酸類催化劑，或有機(jī)堿催化劑，如DBU，TBD等。實(shí)際上，內(nèi)酯開環(huán)聚合的驅(qū)動(dòng)力是較為復(fù)雜的。Albertsson與Waymouth的工作都曾證明環(huán)上的取代基將影響聚合進(jìn)行的難易程度。
本文中，作者設(shè)計(jì)合成了一系列γ-酰胺-ε-己內(nèi)酯單體，在有機(jī)催化劑作用下聚合，對(duì)反應(yīng)過程進(jìn)行了計(jì)算模擬，并對(duì)獲得的材料進(jìn)行了基本表與應(yīng)用。單體合成的基本方法與合成類別如下圖1中所示。另外，作者還合成了側(cè)鏈取代基為乙酯的己內(nèi)酯（EMCL）作為對(duì)照。
圖1 本文聚酯單體合成與聚合過程示意圖
計(jì)算表明，作者合成的上述γ-酰胺-ε-己內(nèi)酯具有較γ-酯基-ε-己內(nèi)酯更負(fù)的開環(huán)焓變（ΔHro）。通過獨(dú)立梯度模型計(jì)算出的包括NNCL，NICL，DECL與VPyCL的γ-酰胺-ε-己內(nèi)酯與γ-酯基-ε-己內(nèi)酯的空間函數(shù)等值面如圖2所示。結(jié)構(gòu)中的顏色梯度表明取代基與內(nèi)酯環(huán)之間的相互作用。
圖2 不同取代基內(nèi)酯單體空間函數(shù)等值面圖
在單體開環(huán)聚合條件的研究中，作者嘗試了Sn(Oct)2，DBU/硫脲體系，以及TBD等不同催化體系。結(jié)果表明，對(duì)于大多數(shù)體系TBD催化能夠獲得較為理想的聚合結(jié)果，而其余兩個(gè)催化劑體系得到的轉(zhuǎn)化率均低于50%。代表性結(jié)果具體如表1所示。實(shí)際上即便對(duì)于TBD催化體系，在聚合時(shí)間過長后依舊會(huì)產(chǎn)生分子量分布變寬的情況。動(dòng)力學(xué)研究能夠表明TBD催化的開環(huán)聚合過程符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)（圖3）。
表1 γ-酰胺-與γ-酯基-ε-己內(nèi)酯開環(huán)聚合結(jié)果
圖3 動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，（A）動(dòng)力學(xué)曲線；（B）[M]0/[I]0 = 40/1條件下的數(shù)均分子量Mn-時(shí)間t曲線；（C）Mn-及分子量分布-單體轉(zhuǎn)化率曲線.
作者對(duì)上述方法獲得材料的熱敏性進(jìn)行探究，通過紅外、1H NMR等手段發(fā)現(xiàn)該系列化合物的LCST都在幾至三十幾攝氏度之間（圖4），并且通過調(diào)節(jié)聚合物組成，例如調(diào)節(jié)VPyCL與NICL占比，能夠簡便地調(diào)節(jié)材料LCST（表2）。
圖4 （A）LCST上下溶液透過率變化；（B）不同材料LCST測定曲線.
表2 VPyCL與NICL不同比例共聚物LCST
至于材料的生物可降解性與生物相容性，作者采用了P(VPyCL89%-co-PIL11%)20為例，使其在10 mM磷酸緩沖液中與洋蔥假單胞菌脂肪酶共孵育，凝膠排阻色譜（GPC）能夠清楚觀察到共聚物從單峰分解為多個(gè)小的低聚物片段。這表明該聚合物具有良好的生物可降解性。另外，經(jīng)過酶分解后體系的LCST也受到了影響。將降解產(chǎn)物與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）共孵育，直至96小時(shí)也觀查不到顯著的細(xì)胞毒性（圖5）。
圖5 96小時(shí)后細(xì)胞活性-聚合物濃度圖，其中黑色為PVPyCL20對(duì)照，紅色為P(VPyCL89%-co-PIL11%)20組，綠色為降解后的P(VPyCL89%-co-PIL11%)20組.
另外，參照PNIPAM在蛋白質(zhì)偶聯(lián)中的應(yīng)用，作者將該新型聚酯應(yīng)用為LCST控制的酶調(diào)節(jié)劑。作者將P(VPyCL89%-co-PIL11%)20與過氧化物酶HRP通過EDC/NHS反應(yīng)進(jìn)行偶聯(lián)，并以PNIPAM作為對(duì)照。隨后對(duì)HRP體系在50 oC的3,3’,5,5’-四甲基聯(lián)苯胺基質(zhì)中進(jìn)行測試。直至500分鐘后，野生HRP組已幾乎喪失活力。而聚酯修飾組的酶活力始終高于PNIPAM修飾組（圖6）。這可能是因?yàn)?span style="font-variant-numeric: normal; font-variant-east-asian: normal; font-stretch: normal; line-height: normal; font-family: "Times New Roman";">P(VPyCL89%-co-PIL11%)20在LCST之上特殊的凝聚層狀態(tài)使之僅發(fā)生部分脫水，從而保證HRP獲得了更高的熱穩(wěn)定性。
圖6 （A）HRP蛋白與聚合物偶聯(lián)示意圖；（B）50 oC暴露后酶活，其中黑色為野生HRP，紅色為P(VPyCL89%-co-PIL11%)20偶聯(lián)物，綠色為PNIPAM偶聯(lián)物.
綜上所述，本文中作者介紹了一類新型的聚（γ-酰胺-ε-己內(nèi)酯），能夠通過簡單的有機(jī)堿催化，進(jìn)行可控開環(huán)聚合獲得。得到的材料具有可調(diào)控的LCST，并且具有相當(dāng)?shù)纳锵嗳菪院蜕锟山到庑?，并且有望代?span style="font-variant-numeric: normal; font-variant-east-asian: normal; font-stretch: normal; line-height: normal; font-family: "Times New Roman";">PNIPAM作為一種新型酶調(diào)節(jié)劑。由此，該類新材料在生物與載藥領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
作者 ZY 審校 ZZC
DOI: 10.1021/acs.macromol.0c00253
Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.0c00253
