Biomacromolecules：通过接力聚合快速制备高分子量的聚乙二醇-聚氨基酸嵌段共聚物
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阅读： 2024/1/30 15:35:23
以下文章来源于ACS材料X ，作者ACS Publications
英文原题：Facile Synthesis of High Molecular Weight Poly(ethylene glycol)?b?poly(amino acid)s by Relay Polymerization
通讯作者：Kai Hao (郝凯), 厦门大学；Yanhui Li (李艳辉), 厦门理工学院；Huayu Tian (田华雨)，厦门大学
作者：Zhimin Luo (罗智敏), Yunan Yuan (袁羽南), Ling Li (李玲), Dayang Xie (谢大洋), Chong Liu (刘冲), Tong Li (李彤), Zhaopei Guo (郭兆培), Kai Hao* (郝凯), Yanhui Li* (李艳辉), Huayu Tian* (田华雨)
背景介绍
聚氨基酸是一类重要的生物高分子材料，其具有良好的生物相容性，在生物医用方面有着广泛地应用。常见的聚氨基酸合成方法包括固相聚合法或N-羧酸环内酸酐（NCA）、N-硫代羧酸环内酸酐（NTA)开环聚合法，而高分子量的聚氨基酸往往通过NCA的开环聚合制备。但是，用于制备高分子量聚氨基酸的高纯度NCA单体的合成和提纯步骤复杂，且大部分NCA单体的稳定性较差，这极大的限制了聚氨基酸的实际应用。因此，基于新型高效的氨基酸聚合策略，简化高分子量聚氨基酸的合成步骤，实现高分子量聚氨基酸的“一锅出”，对于聚氨基酸材料的发展具有重要价值。
文章亮点
1. 利用接力聚合一锅法制备了高分子量的聚乙二醇-聚氨基酸嵌段共聚物，实现了高分子量聚氨基酸的绿色、快速、可控合成。
2. 制备得到的不同分子量的聚合物具有各异的二级结构，能够组装成球状、棒状、线状等多种结构，在药物递送领域具有进一步的应用潜力。
3.探究α-螺旋结构的聚氨基酸和非α-螺旋结构的聚氨基酸的聚合速度，为高分子量聚氨基酸的合成提供理论依据。
图文解读
将氨基聚乙二醇单甲醚（Mn=5 kDa）与γ-卞酯-L-谷氨酸-N-羧酸环内酸酐（BLG-NCA）在50 mM的碳酸氢钠溶液中混合均匀，利用水相自组装开环现象快速制备出低分子量的聚乙二醇-聚氨基酸聚合物。待反应结束后 直接加入BLG-NCA的二氯甲烷溶液，形成乳液后快速聚合得到高分子量的聚乙二醇-聚氨基酸嵌段共聚物。图1为接力聚合过程示意图。
图1. 接力聚合过程示意图
通过调整水和二氯甲烷的体积比和NCA单体的浓度，最终可以实现在57.1%的水相占比体系中快速制备高分子量的聚乙二醇-聚氨基酸嵌段共聚物 （聚合时间小于3小时，聚合物P9分子量可以达到224 KDa，PDI<1.3)，在不同的阶段投入不同的NCA单体可以得到不同微观结构的嵌段聚合物。聚乙二醇-聚氨基酸嵌段共聚物主链的刚性会随着分子量增大而逐渐减弱，这促使其在水中的组装结构由球形向梭形转变。
图2. 接力聚合得到的高分子量的聚乙二醇-聚氨基酸嵌段共聚物
为了进一步研究聚合物二级结构与接力聚合速度的关系，我们制备了具有不同二级结构的低分子量聚乙二醇-聚氨基酸聚合物(PEG-PBLG，PEG-PBDG，PEG-PB(D0.5/L0.5)G)，在同时引发BLG-NCA后，仅有保持完全α-螺旋结构的PEG—PBLG能够实现超快接力聚合，而非α-螺旋结构的引入最终导致生成无规的PEG-PBDG和PEG-PB(D0.5/L0.5)G，无法实现快速聚合。
图3. 聚氨基酸二级结构对于接力聚合速度的影响
总结与展望
通过接力聚合从氨基聚乙二醇单甲醚和γ-卞酯-L-谷氨酸-N-羧酸环内酸酐一锅法快速制备了高分子量的聚乙二醇-聚氨基酸嵌段共聚物。不同分子量的聚合物因为主链刚性的差异导致其纳米形貌由球形向梭形转变。该反应可以在含水的环境下进行，且可以放大至数十克级生产，具有良好的应用前景。
通讯作者信息
厦门大学化学化工学院郝凯博士，厦门理工学院材料科学与工程学院李艳辉教授和厦门大学化学化工学院田华雨教授为通讯作者。
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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