分享一篇近期发表在Eur. Polym. J.上的文章，题目为Insight into the cross-linking of synthetic polypeptide gels prepared by ring-opening polymerization using L-cystine N-carboxyanhydride。文章的通讯作者是来自斯洛文尼亚国家化学研究所的David Pahovnik教授。
L-胱氨酸（Cys）是两个半胱氨酸残基形成二硫键时所产生的二聚体。由于二硫键可以在温度、光、自由基和还原剂等多种因素触发下断裂和重新形成，基于Cys的交联聚合物在药物递送方面具有重要价值。聚多肽具有生物相容性和生物可降解性，因此被广泛用于生物医学领域。Cys-N-羧基内酸酐（Cys NCA）的开环聚合（ROP）可用于制备交联聚多肽，且目前已有很多基于Cys的聚多肽凝胶用于药物递送的报道。Cys的交联结构可以提高药物载体的稳定性，并使其在还原性环境中能够可控降解从而实现靶向释放。然而，研究的重点一般集中在聚合物还原降解后的交联结构上，而交联的伴随反应尚未得到研究。 本文中，作者详细研究了Cys NCA在ROP过程中的行为，发现Cys NCA在通常条件下会发生多个副反应，而类似的高胱氨酸（Hcys）NCA不会发生这些副反应。他们还研究了Cys NCA或Hcys NCA作为交联剂与γ-苄基-L-谷氨酸（BLG）NCA共聚制备的聚多肽凝胶的性能，以说明副反应对交联效率和材料性能的影响。 首先，作者研究了Cys NCA在常用ROP条件下的稳定性（图1）。通过对Cys NCA与1.5 mol% Et3N反应混合物的核磁信号的分析，他们发现该反应产生了四种不同的化合物，并认为副产物来源于图1d-f所示的副反应，即Cys 2,5-二酮哌嗪的形成和Cys NCA侧链的β-消除形成硫半胱氨酸NCA和脱氢丙氨酸NCA，以及随后的脱氢丙氨酸NCA分解为丙酮酸和氨。 反应混合物组成随时间的变化如图2所示。作者发现反应24小时后，由于共价交联纳米凝胶的形成，反应混合物的可溶部分含量仅为50%。随着反应时间的延长，Cys 2,5-二酮哌嗪的量不断增加，直到Cys NCA消耗完全。副反应生成的硫半胱氨酸NCA可以分解为半胱氨酸NCA和H2S，它们可以与体系中的游离巯基或其他二硫键发生重组反应。反应3 h后，作者在反应混合物的可溶部分中没有观察到硫半胱氨酸NCA或其副产物，这表明它们已经进入凝胶部分。另一方面，当脱氢丙氨酸NCA开环时，它不会发生聚合而是发生烯胺到亚胺的互变异构，亚胺可以进一步反应生成丙酮酸和氨。他们还通过相似的方法合成了高胱氨酸（Hcys）NCA。Hcys NCA的二硫键的每侧都含有一个额外的亚甲基，这使得上述Cys NCA的副反应难以发生。他们研究了相同条件下Hcys NCA与Et3N的反应，没有在反应混合物的可溶部分中观察到副产物。 接下来，作者研究了两种NCA的副反应差异对交联的影响。他们以Et3N为催化剂将Cys NCA或Hcys NCA与BLG NCA共聚分别制备了凝胶P(BLG-co-Cys)和P(BLG-co-Hcys)（图3）。他们分析了凝胶化与NCA总浓度和交联剂含量的关系（图4）。在高NCA浓度（≥ 0.75 M）下，2.5 mol % NCA（Cys或Hcys）即可凝胶化。随着NCA浓度的降低，P(BLG-co-Cys)在0.63 M时需要5.0 mol%的Cys NCA才能形成凝胶，当浓度进一步降低到0.50 M时无法形成凝胶。另一方面，Hcys NCA的凝胶形成浓度范围要宽得多，即使在0.50 M的溶液中加入2.5 mol%的Hcys NCA也能形成稳定的凝胶。当NCA浓度较低时，P(BLG-co-Cys)需要更高含量的Cys NCA才能形成凝胶，这是由于Cys NCA的部分降解，导致可用交联剂浓度较低。但是作者认为，在反应混合物中添加更多的Cys NCA来补偿交联剂的部分降解并不一定是可行的解决方案，因为这会导致更多的副产物产生，从而阻碍交联网络的形成。 最后，作者研究了两种聚多肽凝胶的力学性能（图5）。他们测量了在交联剂含量相同的情况下两种凝胶的压缩应力-应变曲线，得到P(BLG-co-Cys)和P(BLG-co-Hcys)的压缩模量分别为7.2 ± 2.3 kPa和14.4 ± 2.7 kPa。这表明用Cys NCA交联的凝胶比用Hcys NCA交联的凝胶更软。作者认为这种力学性能的较大差异同样是由于Cys NCA的副反应降低了凝胶的交联程度导致的。 综上所述，作者发现了Cys NCA在ROP过程中会发生一系列副反应，这会导致基于Cys的聚多肽凝胶具有更低的交联效率和更差的性能，而类似的Hcys NCA没有观察到这些副反应。因此，将Hcys NCA作为Cys NCA的替代交联剂可以更好地控制聚多肽凝胶的最终性能。DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2023.112707Link: https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2023.112707
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