Ny syntesemetode giver nedbrydelige polymerer

MIT kemikere har udtænkt en måde at syntetisere polymerer, der kan nedbrydes lettere i kroppen og i miljøet.

En kemisk reaktion kaldet ringåbningsmetatesepolymerisation, eller ROMP, er praktisk til at bygge nye polymerer til forskellige anvendelser såsom nanofabrikation, højtydende harpikser, og levering af lægemidler eller billeddannende midler. Imidlertid, en ulempe ved denne syntesemetode er, at de resulterende polymerer ikke nedbrydes naturligt i naturlige miljøer, såsom inde i kroppen.

MIT-forskerholdet har fundet frem til en måde at gøre disse polymerer mere nedbrydelige ved at tilføje en ny type byggesten til polymerens rygrad. Denne nye byggesten, eller monomer, danner kemiske bindinger, der kan nedbrydes af svage syrer, baser, og ioner såsom fluorid.

"Vi mener, at dette er den første generelle måde at producere ROMP-polymerer med let nedbrydelighed under biologisk relevante forhold, " siger Jeremiah Johnson, en lektor i kemi ved MIT og seniorforfatter af undersøgelsen. "Den gode del er, at det fungerer ved at bruge standard ROMP-arbejdsgangen; du skal bare drysse den nye monomer i, gør det meget bekvemt."

Denne byggesten kunne inkorporeres i polymerer til en bred vifte af anvendelser, herunder ikke kun medicinske anvendelser, men også syntese af industrielle polymerer, der ville nedbrydes hurtigere efter brug, siger forskerne.

Bladets hovedforfatter, som optræder i Naturkemi i dag, er MIT postdoc Peyton Shieh. Postdoc Hung VanThanh Nguyen er også forfatter til undersøgelsen.

Kraftig polymerisation

De mest almindelige byggesten i ROMP-genererede polymerer er molekyler kaldet norbornener, som indeholder en ringstruktur, der let kan åbnes og spændes sammen til polymerer. Molekyler såsom lægemidler eller billeddannende midler kan tilsættes til norbornener, før polymerisationen finder sted.

Johnsons laboratorium har brugt denne syntesetilgang til at skabe polymerer med mange forskellige strukturer, inklusive lineære polymerer, flaskebørste polymerer, og stjerneformede polymerer. Disse nye materialer kunne bruges til at levere mange kræftlægemidler på én gang, eller bære billeddannende midler til magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) og andre typer billeddannelse.

"Det er en meget robust og kraftfuld polymerisationsreaktion, ", siger Johnson. "Men en af ​​de store ulemper er, at rygraden i de producerede polymerer udelukkende består af carbon-carbon-bindinger, og som et resultat, polymererne er ikke let nedbrydelige. Det har altid været noget, vi har haft i baghovedet, når vi tænkte på at lave polymerer til biomaterialerummet."

For at omgå dette problem, Johnsons laboratorium har fokuseret på at udvikle små polymerer, i størrelsesordenen omkring 10 nanometer i diameter, som lettere kunne fjernes fra kroppen end større partikler. Andre kemikere har forsøgt at gøre polymererne nedbrydelige ved at bruge andre byggesten end norbornener, men disse byggesten polymeriserer ikke så effektivt. Det er også sværere at knytte stoffer eller andre molekyler til dem, og de kræver ofte barske forhold for at nedbrydes.

"Vi foretrækker at fortsætte med at bruge norbornen som det molekyle, der gør os i stand til at polymerisere disse komplekse monomerer, ", siger Johnson. "Drømmen har været at identificere en anden type monomer og tilføje den som en comonomer til en polymerisation, der allerede bruger norbornen."

Forskerne fandt en mulig løsning gennem arbejde, Shieh lavede på et andet projekt. Han ledte efter nye måder at udløse lægemiddelfrigivelse fra polymerer, da han syntetiserede et ringholdigt molekyle, der ligner norbornen, men som indeholder en ilt-silicium-oxygenbinding. Forskerne opdagede, at denne slags ring, kaldet en silylether, kan også åbnes og polymeriseres med ROMP-reaktionen, fører til polymerer med oxygen-silicium-iltbindinger, der nemmere nedbrydes. Dermed, i stedet for at bruge det til frigivelse af lægemidler, forskerne besluttede at forsøge at inkorporere det i polymerrygraden for at gøre det nedbrydeligt.

De fandt ud af, at ved blot at tilføje silylethermonomeren i et forhold på 1:1 med norbornenmonomerer, de kunne skabe lignende polymerstrukturer, som de tidligere har lavet, med den nye monomer inkorporeret nogenlunde ensartet i hele rygraden. Men nu, når de udsættes for en let sur pH, omkring 6,5, polymerkæden begynder at bryde fra hinanden.

"Det er ret simpelt, ", siger Johnson. "Det er en monomer, vi kan tilføje til udbredte polymerer for at gøre dem nedbrydelige. Men så enkelt som det er, eksempler på en sådan tilgang er overraskende sjældne."

Hurtigere nedbrydning

I forsøg med mus, forskerne fandt ud af, at i løbet af den første uge eller to, de nedbrydelige polymerer viste samme fordeling gennem kroppen som de originale polymerer, men de begyndte at bryde sammen kort efter det. Efter seks uger, koncentrationerne af de nye polymerer i kroppen var mellem tre og 10 gange mindre end koncentrationerne af de oprindelige polymerer, afhængig af den nøjagtige kemiske sammensætning af silylethermonomererne, som forskerne brugte.

Resultaterne tyder på, at tilføjelse af denne monomer til polymerer til lægemiddellevering eller billeddannelse kunne hjælpe dem med at blive fjernet fra kroppen hurtigere.

"Vi er begejstrede for udsigten til at bruge denne teknologi til præcist at justere nedbrydningen af ​​ROMP-baserede polymerer i biologiske væv, som vi mener kunne udnyttes til at kontrollere biodistribution, lægemiddelfrigivelseskinetik, og mange andre funktioner, " siger Johnson.

Forskerne er også begyndt at arbejde på at tilføje de nye monomerer til industrielle harpikser, såsom plast eller klæbemidler. De mener, at det ville være økonomisk muligt at inkorporere disse monomerer i fremstillingsprocesserne for industrielle polymerer, for at gøre dem mere nedbrydelige, og de arbejder sammen med Millipore-Sigma for at kommercialisere denne familie af monomerer og gøre dem tilgængelige for forskning.