给大家介绍的文章是近期发表在Macromolecules上的Organocatalytic Ring-Opening Polymerization Toward Poly(γ-amide-ε-caprolactone)s with Tunable Lower Critical Solution Temperatures，文章的通讯作者是华东理工大学的郎美东教授与肖艳副研究员。

在过去几十年中，具有环境响应性的智能材料在社会发展的各个领域取得了广泛的应用。在生物材料领域，能够在各种化学或物理环境刺激下产生响应的聚合物体系作为在药物、基因递送等过程中的载体，需求巨大。其中最常见的一类具有温度响应的聚合物是最低临界溶液温度（LCST）接近人体温的聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）。该聚合物原料易得，聚合方法简单，且响应灵敏，又具有一定浓度耐受性。然而，PNIPAM存在聚合物主链生物不可降解的问题。

为解决这一问题，Stefan等人制备了侧链修饰低聚乙二醇（OEG）的聚（ε-己内酯）（PCL），其LCST约为39 ^oC，能够通过共聚组成胶束，用于药物递送。而前人的研究表明，侧链具有酰胺结构的热敏PCL虽然同样具有LCST，但其在LCST上的聚集形态与PNIPAM不同。在LCST上脱水时，PNIPAM经历无规线团-球形转变，而具有酰胺取代基的PCL则形成凝聚层结构。

就获得这些聚酯材料的聚合方法而言，在对内酯开环聚合的研究中，一般认为因为环张力的驱动，小环与中环结构更容易生成聚合物。常见的具有较稳定结构的内酯单体的开环聚合则常需要特殊的催化剂才能进行，包括Lewis酸类催化剂，或有机碱催化剂，如DBU，TBD等。实际上，内酯开环聚合的驱动力是较为复杂的。Albertsson与Waymouth的工作都曾证明环上的取代基将影响聚合进行的难易程度。

本文中，作者设计合成了一系列γ-酰胺-ε-己内酯单体，在有机催化剂作用下聚合，对反应过程进行了计算模拟，并对获得的材料进行了基本表与应用。单体合成的基本方法与合成类别如下图1中所示。另外，作者还合成了侧链取代基为乙酯的己内酯（EMCL）作为对照。

图1 本文聚酯单体合成与聚合过程示意图

计算表明，作者合成的上述γ-酰胺-ε-己内酯具有较γ-酯基-ε-己内酯更负的开环焓变（ΔH_ro）。通过独立梯度模型计算出的包括NNCL，NICL，DECL与VPyCL的γ-酰胺-ε-己内酯与γ-酯基-ε-己内酯的空间函数等值面如图2所示。结构中的颜色梯度表明取代基与内酯环之间的相互作用。

图2 不同取代基内酯单体空间函数等值面图

在单体开环聚合条件的研究中，作者尝试了Sn(Oct)₂，DBU/硫脲体系，以及TBD等不同催化体系。结果表明，对于大多数体系TBD催化能够获得较为理想的聚合结果，而其余两个催化剂体系得到的转化率均低于50%。代表性结果具体如表1所示。实际上即便对于TBD催化体系，在聚合时间过长后依旧会产生分子量分布变宽的情况。动力学研究能够表明TBD催化的开环聚合过程符合一级动力学（图3）。

表1 γ-酰胺-与γ-酯基-ε-己内酯开环聚合结果

图3 动力学实验结果，（A）动力学曲线；（B）[M]₀/[I]₀ = 40/1条件下的数均分子量M_n-时间t曲线；（C）M_n-及分子量分布-单体转化率曲线.

作者对上述方法获得材料的热敏性进行探究，通过红外、¹H NMR等手段发现该系列化合物的LCST都在几至三十几摄氏度之间（图4），并且通过调节聚合物组成，例如调节VPyCL与NICL占比，能够简便地调节材料LCST（表2）。

图4 （A）LCST上下溶液透过率变化；（B）不同材料LCST测定曲线.

表2 VPyCL与NICL不同比例共聚物LCST

至于材料的生物可降解性与生物相容性，作者采用了P(VPyCL_89%-co-PIL_11%)₂₀为例，使其在10 mM磷酸缓冲液中与洋葱假单胞菌脂肪酶共孵育，凝胶排阻色谱（GPC）能够清楚观察到共聚物从单峰分解为多个小的低聚物片段。这表明该聚合物具有良好的生物可降解性。另外，经过酶分解后体系的LCST也受到了影响。将降解产物与骨髓间充质干细胞（MSCs）共孵育，直至96小时也观查不到显著的细胞毒性（图5）。

图5 96小时后细胞活性-聚合物浓度图，其中黑色为PVPyCL₂₀对照，红色为P(VPyCL_89%-co-PIL_11%)₂₀组，绿色为降解后的P(VPyCL_89%-co-PIL_11%)₂₀组.

另外，参照PNIPAM在蛋白质偶联中的应用，作者将该新型聚酯应用为LCST控制的酶调节剂。作者将P(VPyCL_89%-co-PIL_11%)₂₀与过氧化物酶HRP通过EDC/NHS反应进行偶联，并以PNIPAM作为对照。随后对HRP体系在50 ^oC的3,3’,5,5’-四甲基联苯胺基质中进行测试。直至500分钟后，野生HRP组已几乎丧失活力。而聚酯修饰组的酶活力始终高于PNIPAM修饰组（图6）。这可能是因为P(VPyCL_89%-co-PIL_11%)₂₀在LCST之上特殊的凝聚层状态使之仅发生部分脱水，从而保证HRP获得了更高的热稳定性。

图6 （A）HRP蛋白与聚合物偶联示意图；（B）50 ^oC暴露后酶活，其中黑色为野生HRP，红色为P(VPyCL_89%-co-PIL_11%)₂₀偶联物，绿色为PNIPAM偶联物.

综上所述，本文中作者介绍了一类新型的聚（γ-酰胺-ε-己内酯），能够通过简单的有机碱催化，进行可控开环聚合获得。得到的材料具有可调控的LCST，并且具有相当的生物相容性和生物可降解性，并且有望代替PNIPAM作为一种新型酶调节剂。由此，该类新材料在生物与载药领域具有广泛的应用前景。

作者 ZY 审校 ZZC

DOI: 10.1021/acs.macromol.0c00253

Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.0c00253