分享一篇近期發(fā)表在Eur. Polym. J.上的文章，題目為Insight into the cross-linking of synthetic polypeptide gels prepared by ring-opening polymerization using L-cystine N-carboxyanhydride。文章的通訊作者是來(lái)自斯洛文尼亞國(guó)家化學(xué)研究所的David Pahovnik教授。
L-胱氨酸（Cys）是兩個(gè)半胱氨酸殘基形成二硫鍵時(shí)所產(chǎn)生的二聚體。由于二硫鍵可以在溫度、光、自由基和還原劑等多種因素觸發(fā)下斷裂和重新形成，基于Cys的交聯(lián)聚合物在藥物遞送方面具有重要價(jià)值。聚多肽具有生物相容性和生物可降解性，因此被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。Cys-N-羧基內(nèi)酸酐（Cys NCA）的開(kāi)環(huán)聚合（ROP）可用于制備交聯(lián)聚多肽，且目前已有很多基于Cys的聚多肽凝膠用于藥物遞送的報(bào)道。Cys的交聯(lián)結(jié)構(gòu)可以提高藥物載體的穩(wěn)定性，并使其在還原性環(huán)境中能夠可控降解從而實(shí)現(xiàn)靶向釋放。然而，研究的重點(diǎn)一般集中在聚合物還原降解后的交聯(lián)結(jié)構(gòu)上，而交聯(lián)的伴隨反應(yīng)尚未得到研究。 本文中，作者詳細(xì)研究了Cys NCA在ROP過(guò)程中的行為，發(fā)現(xiàn)Cys NCA在通常條件下會(huì)發(fā)生多個(gè)副反應(yīng)，而類似的高胱氨酸（Hcys）NCA不會(huì)發(fā)生這些副反應(yīng)。他們還研究了Cys NCA或Hcys NCA作為交聯(lián)劑與γ-芐基-L-谷氨酸（BLG）NCA共聚制備的聚多肽凝膠的性能，以說(shuō)明副反應(yīng)對(duì)交聯(lián)效率和材料性能的影響。 首先，作者研究了Cys NCA在常用ROP條件下的穩(wěn)定性（圖1）。通過(guò)對(duì)Cys NCA與1.5 mol% Et3N反應(yīng)混合物的核磁信號(hào)的分析，他們發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)產(chǎn)生了四種不同的化合物，并認(rèn)為副產(chǎn)物來(lái)源于圖1d-f所示的副反應(yīng)，即Cys 2,5-二酮哌嗪的形成和Cys NCA側(cè)鏈的β-消除形成硫半胱氨酸NCA和脫氫丙氨酸NCA，以及隨后的脫氫丙氨酸NCA分解為丙酮酸和氨。圖1. Cys NCA的副反應(yīng)及產(chǎn)物表征 反應(yīng)混合物組成隨時(shí)間的變化如圖2所示。作者發(fā)現(xiàn)反應(yīng)24小時(shí)后，由于共價(jià)交聯(lián)納米凝膠的形成，反應(yīng)混合物的可溶部分含量?jī)H為50%。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，Cys 2,5-二酮哌嗪的量不斷增加，直到Cys NCA消耗完全。副反應(yīng)生成的硫半胱氨酸NCA可以分解為半胱氨酸NCA和H2S，它們可以與體系中的游離巰基或其他二硫鍵發(fā)生重組反應(yīng)。反應(yīng)3 h后，作者在反應(yīng)混合物的可溶部分中沒(méi)有觀察到硫半胱氨酸NCA或其副產(chǎn)物，這表明它們已經(jīng)進(jìn)入凝膠部分。另一方面，當(dāng)脫氫丙氨酸NCA開(kāi)環(huán)時(shí)，它不會(huì)發(fā)生聚合而是發(fā)生烯胺到亞胺的互變異構(gòu)，亞胺可以進(jìn)一步反應(yīng)生成丙酮酸和氨。他們還通過(guò)相似的方法合成了高胱氨酸（Hcys）NCA。Hcys NCA的二硫鍵的每側(cè)都含有一個(gè)額外的亞甲基，這使得上述Cys NCA的副反應(yīng)難以發(fā)生。他們研究了相同條件下Hcys NCA與Et3N的反應(yīng)，沒(méi)有在反應(yīng)混合物的可溶部分中觀察到副產(chǎn)物。圖2. Cys NCA反應(yīng)混合物的組成 接下來(lái)，作者研究了兩種NCA的副反應(yīng)差異對(duì)交聯(lián)的影響。他們以Et3N為催化劑將Cys NCA或Hcys NCA與BLG NCA共聚分別制備了凝膠P(BLG-co-Cys)和P(BLG-co-Hcys)（圖3）。他們分析了凝膠化與NCA總濃度和交聯(lián)劑含量的關(guān)系（圖4）。在高NCA濃度（≥ 0.75 M）下，2.5 mol % NCA（Cys或Hcys）即可凝膠化。隨著NCA濃度的降低，P(BLG-co-Cys)在0.63 M時(shí)需要5.0 mol%的Cys NCA才能形成凝膠，當(dāng)濃度進(jìn)一步降低到0.50 M時(shí)無(wú)法形成凝膠。另一方面，Hcys NCA的凝膠形成濃度范圍要寬得多，即使在0.50 M的溶液中加入2.5 mol%的Hcys NCA也能形成穩(wěn)定的凝膠。當(dāng)NCA濃度較低時(shí)，P(BLG-co-Cys)需要更高含量的Cys NCA才能形成凝膠，這是由于Cys NCA的部分降解，導(dǎo)致可用交聯(lián)劑濃度較低。但是作者認(rèn)為，在反應(yīng)混合物中添加更多的Cys NCA來(lái)補(bǔ)償交聯(lián)劑的部分降解并不一定是可行的解決方案，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致更多的副產(chǎn)物產(chǎn)生，從而阻礙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的形成。
