由双头聚合剂合成的功能性生物材料

 

Hua Wei1 and Suzie H. Pun2*
1 兰州大学化学系,中国甘肃兰州,730000
2Department of Bioengineering and Molecular Engineering and Sciences Institute University of Washington, Seattle, Washington 98195 USA *Email: spun@u.washington.edu

在过去的二十年中,随着受控活性聚合(CLP)技术的快速发展,开环聚合(ROP)、1 硝基氧介导聚合(NMP)、2原子转移自由基聚合(ATRP) 3和可逆加成 - 断裂链转移(RAFT)聚合4等聚合方法已经能够合成具有受控分子量和窄分子量分布(MWD)的定制聚合物,专为生物医学应用量身定做的。人们对能够与天然材料之间发生相互作用,模仿或替代天然材料以用于诸如药物递送、分子成像、细胞治疗和组织工程等应用的多功能合成聚合物的需求日益增加。合成多功能材料的一个常见策略是将不同的合成技术结合起来,其中会涉及复杂的多步骤制备和纯化。5然而其结果往往是反应得率低,批次之间存在差异且难以规模化扩展。因此,人们对具有先进结构和/或生物活性性质的聚合物的合成简化方法存在相当大的需求。这对于生物医学应用尤其重要,因为简化的合成方法对规模化、制造和FDA批准而言都具有优势。人们开发出来了一种双头聚合剂以满足这种需求,并提供了一种精妙且具有鲁棒性的方法来实现这一目标。这些试剂提供了一种集成了不同合成方法的技术核:例如CLP、1-4点击化学6和硫醇化学。7

双头剂(也称为二官能团、双官能团或异官能引发剂)包含两个能够独立并选择性引发并发聚合的功能位点。与传统的聚合物合成方法相比,使用双头剂可以提供以下三个优点:1)提供了以并行一步方式制备嵌段共聚物的机会,不需要中间转化和保护步骤,这对于合成基于机械不相容单体的嵌段共聚物特别有用;2)为连接两个功能端的中央桥(块连接点)提供了灵活性,可以根据特定应用的要求进行定制;3)为得到的嵌段共聚物提供两个官能末端。

本综述重点介绍了该领域的最新进展,重点分别介绍了两种具有对称和不对称结构的双头剂(表1,见下一页)。使用这些双头剂制备的聚合物及其生物医学应用概述见图1所示。最后,本文还介绍了这个快速发展的研究领域的未来方向。

本综述涵盖了使用双头剂合成生物材料的实例。根据参考文献的许可修改如下

图1. 本综述涵盖了使用双头剂合成生物材料的实例。根据参考文献的许可修改如下:版权(2013,2011,2008)美国化学学会。20,22,29版权所有(2006)John Wiley and Sons。9 版权所有(2010)英国皇家化学学会。25 版权所有(2013)自然出版集团。27

 

表1.各种结构的双头剂总结

各种结构的双头剂总结

 

对称双头剂

对称双头剂的每个末端都含有相同的官能团,可以引发试剂两侧同时进行聚合。这些试剂已用于合成具有内部可降解桥的聚合物,并且还可以将功能性末端引入裂解聚合物中。

Tsarevsky和Matyjaszewski首先报道设计了一种可降解的二硫桥连双功能ATRP引发剂双[2-(2-溴丙酰氧基)乙基]二硫化物(BBPrEDS)(Aldrich货号723169),用于合成可降解线型聚苯乙烯(PS)。8 使用二硫苏糖醇(DTT)作为还原剂来打开二硫键,获得游离、具有一半母体聚合物分子量的硫端基PS。

Armes及其合作者使用BBPrEDS双功能引发剂,通过首先对2-(甲基丙烯酰氧基)乙基磷酸胆碱(MPC),以及随后的N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)进行聚合,合成ABA三嵌段共聚物,得到PNIPAM80–PMPC125-SS-PMPC125–PNIPAM80 ABA三嵌段共聚物。9该三嵌段共聚物在生理学相关条件、37℃ 和约8%(w / v)共聚物浓度下会形成自支撑凝胶。如谷胱甘肽一类的生物分子会使得中心二硫键发生裂解,引起胶束凝胶发生不可逆的溶解。这些共聚物构成了新型的可注射凝胶剂,其既具有生物化学响应性又具有热响应性,并且可用作局部药物或细胞递送的贮库。

Haddleton等人报道了两种带有Diels-Alder加合物的双功能ATRP引发剂:一种是基于呋喃 - 马来酰亚胺加合物,另一种是基于蒽 - 马来酰亚胺加合物,可以用于合成线性聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。10 Diels-Alder加合物位于聚合物链的中间,使得人们可以进行由温度进行调节的可逆切割。这些“自愈合聚合物”可以通过在高温下加热而降解,在较低温度下加热而改性。

在另一个例子中,Zhao的研究小组开发了一种可降解的二硫桥连双功能RAFT链转移剂(CTA),S-氰基戊酸二硫代苯甲酸酯(S-CPDB)。11在他们的研究中,通过一起使用RAFT、ROP与S-CPDB来制备对称的还原响应两亲性星状三元共聚物。在氧化还原刺激和末端基团修饰后,所得到的星状三元共聚物通过各种硫醇修饰反应被有效转化成硫代硬脂酸酯化的遥爪星形聚合物、降解星形聚合物和梳状线性多嵌段共聚物。

双(2-羟乙基)二硫化物(HES)(Aldrich货号380474)是一种可降解的二硫桥连双功能引发剂,已广泛用于通过环状碳酸酯ROP生成脂肪族聚碳酸酯。Zhong等人通过首先使用HES引发剂,利用ε-己内酯ROP合成可生物降解的聚(ε-己内酯)二硫化物PCL-SS-PCL,来制备聚(乙二醇)-b-PCL(PEG-SS-PCL)二嵌段共聚物,并通过二硫化物交换与PEG邻吡啶基二硫化物进行反应。12 可还原的PEG-SS-PCL二嵌段共聚物可以用于抗癌药物多柔比星(Dox)的胶束递送。与对还原不敏感的对照材料相比,可脱壳的胶束在细胞环境中释放Dox的速度更快,从而实现更高的抗癌效果。

 

不对称双头剂

在基于机械不相容单体的嵌段共聚物的合成中使用不对称双头剂已经引起了相当大的关注,其可以简化合成,有可能实现同时一步法。异双头剂具有两个不同的官能团,其可以在没有中间转化步骤的情况下进行两种不同机理的反应/聚合。为了通过一步法获得使用该试剂、具有明确结构的嵌段共聚物,两个官能团、催化剂或引发剂和单体之间不应有相互作用。另外,两种聚合应该在相同的反应温度下以受控的方式进行。13由于这些限制,迄今为止,大多数使用杂双头剂合成的嵌段共聚物都由连续的反应制得。本节回顾了使用不对称双头剂合成的聚合物,重点介绍了用于生物医学应用的材料。

 

基于ATRP启动子的双头剂

Maynard小组采用了一系列ATRP引发剂基双头试剂,可以以精妙的方式制备聚合物 - 蛋白质结合物。14-16 在一项研究中,人们使用吡啶基二硫化物(PDS)修饰的ATRP引发剂来制备具有良好结构的聚(2-羟乙基甲基丙烯酸酯)(P(HEMA)),然后将其与牛血清白蛋白进行结合。14 在第二篇报道中,生物素化的ATRP引发剂与抗生蛋白链菌素结合,用作NIPAAm聚合的蛋白质大分子引发剂。15最后,使用带有侧链改性-ATRP引发剂的氨基酸在固相肽合成中合成肽大分子引发剂。这些大分子引发剂可以用于合成具有窄分子量分布的肽 - 聚合物(例如PHEMA和糖聚合物)缀合物,得到具有明确结构的材料。16

在轻松偶联反应的点击化学组中,CuI催化的叠氮化物 - 炔环加成反应(CuAAC“点击”)17受到的关注最多,其正在越来越多地被用于聚合物官能化和材料合成,特别是与可控自由基聚合方法结合使用。18 由于可非常方便地将点击功能引入由ATRP制备的聚合物中,并且在每个工艺中使用相同的催化剂体系,CuAAC“点击”特别适合于与ATRP结合。这两种强大技术的结合极大地扩大了可用材料的范围。在一个实例中,Grayson研究小组使用烷基官能化的ATRP引发剂来制备环状聚合物。19 按照这种方法,Wei等人制备出了用于核酸递送的环状阳离子聚合物,并证明与其线性类似物相比,环状聚合物在基因转移中同样有效,并对培养的哺乳动物细胞的细胞毒性小。20 另一种有用的试剂是由Gohy和Fustin小组制备的:该ATRP引发剂含有可以用于CuAAC“点击(click)”反应的邻硝基苄基酯光可裂解结和炔基。21

Oh等人制备了双头引发剂(HO-SSiBuBr)22的还原型,可以用于集成ATRP和ROP技术(HO-iBuBr,Aldrich货号72315023——该技术由Matyjaszewski小组开发。在存在OH-SS-iBuBr的条件下,丙交酯的ROP和低聚(乙二醇)甲醚甲基丙烯酸酯(OEGMA)的ATRP都可以得到控制,从而得到具有窄MWD (<1.2的良好可生物降解PLA-SS-POEGMA嵌段共聚物。PLA-SS-POEGMA的含水胶束化可以生成在PLA核和POEGMA冠状物之间界面处具有SS连接的核/壳胶束。在还原性环境,如细胞溶胶中,POEGMA 冠状物可以从PLA核上脱落,由于胶体丧失稳定性而导致PLA核发生沉淀。这些结果与非细胞毒性相结合表明:可生物降解、基于PLA的可脱落胶束可用作细胞内药物递送的新型药物递送系统。

Wei等人使用这种双头剂合成了三元两亲嵌段共聚物PCL-SS- P((GMA-TEPA)-st-OEGMA),其含有可脱落的疏水性PCL嵌段、由对pH敏感的低聚胺四亚乙基五胺(TEPA)修饰的聚(甲基丙烯酸缩水甘油酯)(PGMA)嵌段,以及亲水性OEGMA嵌段。24 使用可还原的双头引发剂HO-SS-iBuBr通过ROP合成可脱落的疏水性PCL嵌段,然后用作后续的GMA和OEGMA的ATRP的大分子引发剂。这种新的嵌段统计共聚物结合了可逆疏水化作用,增强了细胞外环境中的颗粒稳定性,以及统计性亲水化、细胞内质粒和siRNA的有效释放。由于其所具有的多功能和生物反应性,该聚合物在体内基因转移至小鼠脑中这一过程非常有效。

 

基于RAFT CTA的双头剂

基于RAFT CTA的双头剂可用于生成具有反应性末端的聚合物,用于各种生物医学应用,包括蛋白质缀合,纳米粒子接枝和生物功能化。 Zhao的团队报道了通过使用Z-叠氮化物功能化的RAFT CTA,S-叠氮丙氧基羰基乙基S'-甲氧基羰基苯基甲基三硫代碳酸酯(AMP)25 或Z-炔功能化的RAFT CTA

26,利用RAFT聚合和CuAAC“点击”来制备均聚物和多嵌段共聚物。这些聚合物被用于二氧化硅纳米粒子接枝。Maynard小组设计了一种PDS功能化的三硫代碳酸酯CTA,用于制备蛋白质 - 聚合物结合物。27RAFT合成的肝素模拟聚合物,聚(4-苯乙烯磺酸钠 - 聚(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯)与碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)的共价缀合显著增强了各种环境和治疗相关应激源下的蛋白质稳定性,例如热,温和和苛刻的酸性条件,储存和蛋白水解降解 - 不同于天然bFGF。

先进聚合物结构也可以使用基于RAFT CTA的双头剂来制备。Youk及其合作者使用4-氰基-4-(十二烷基硫烷基硫代羰基)硫烷基戊醇(CDP)作为RAFT聚合和ROP一步法中的双引发剂合成了具有良好结构的嵌段共聚物。28 在一个实例中,通过ROP选择性催化剂一步合成制备了一种嵌段聚合物,该聚合物具有通过乙烯基单体RAFT聚合合成的一个嵌段和通过环状单体ROP合成的第二个嵌段,所述选择性催化剂不会干扰RAFT聚合。在能够通过硫代羰基硫基部分进行可逆链转移并经由乙烯基基团增长的化合物存在下的RAFT聚合可以生成高度支化的共聚物。Sumerlin等人合成了丙烯酰基三硫代碳酸酯并与NIPAAm以选择的比例进行共聚,以控制所得到的热响应共聚物中支链的分布和长度。29 聚合期间活性硫代羰基硫代化合物得到了保留,这一点可以具体通过第二单体通过进一步RAFT聚合成功地生成支化PNIPAAm宏观CTA的链延伸来证明。这种方法可以扩展到具有高浓度含硫端基的多种支化刺激响应共聚物的合成,从而促进多价生物缀合或表面固定。

 

RAFT-ATRP双头剂

Wei等人引入了一种可还原的RAFT-ATRP双头剂,用于合成具有用于核酸递送应用、具有可脱落屏蔽嵌块的肽功能化共聚物。30使用该双头剂通过OEGMA的RAFT聚合和甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)的ATRP的组合合成了P(OEGMA)-SS-P(GMATEPA),一种优化的还原响应性阳离子嵌段共聚物,用四亚乙基五胺(TEPA)对P(GMA)嵌段中的反应性环氧基团进行聚合修饰。得到的二嵌段共聚物显示出具有窄MWD、具有良好控制的组成,并且在外部冠状部位通过Michael型加成,通过二硫酯端基氨解生成游离硫醇而容易地用神经元靶向肽Tet1进行修饰。最终的聚合物形成了适合体内使用的盐稳定性颗粒,同时保持高转染效率,这可能是由于其具有各种多功能的靶向、内体逃逸,以及由Tet1肽赋予的去屏蔽和载荷释放性能,可质子化的TEPA胺和可还原的主链结构(图2)。因此,由于靶向和屏蔽的组合性质,该嵌段共聚物显示出保持与用于靶向基因递送的类似均聚载体相当的高转染效率。因此,RAFT-ATRP双头剂为我们提供了一种可以用于制备各种类型的多功能药物和基因递送载体的通用手段。

P(OEGMA)15-SS-P(GMA-TEPA)50阳离子聚合物

图2. P(OEGMA)15-SS-P(GMA-TEPA)50阳离子聚合物,DNA缩合,细胞结合,内吞作用,以及随后还原触发的细胞内pDNA解包装的建议途径。 版权所有(2012)美国化学学会。30

 

结论与展望

各种双头试剂的设计和开发代表了一种实现先进材料设计的精妙方法。使用双头试剂时,可以在不进行中间转化和功能化步骤的前提下进行不同的聚合/反应,有时甚至可以以并行的方式进行,显着地简化了用于制备嵌段共聚物的传统技术,得到的一系列新型嵌段共聚物具有基于不同单体的迷人特性。近十年来,这类试剂的发展有了巨大的增长,这一点也不奇怪。

值得注意的是,二硫键吸引了大部分的注意力,并且由于二硫化物与CLP过程之间的优异相容性,它在双重添加剂中一直被用作可降解连接,在温和的条件下形成二硫键,以及二硫化物的生物相关性。未来有关使用其他刺激响应链接,如酸性pH值、温度、酶响应底物和光敏桥来制备可降解双头试剂的研究将是一个热门话题,有待进一步探讨。

展望未来,我们预计在使用各种双头试剂制备先进生物材料的新领域中将涌现许多令人兴奋的工作。

 

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