MIT-kemister har utarbetat ett sätt att syntetisera polymerer som lättare kan bryta ner i kroppen och i miljön.

En kemisk reaktion som kallas ringöppningsmetatespolymerisation, eller ROMP, är praktiskt för att bygga nya polymerer för olika användningsområden såsom nanotillverkning, högpresterande hartser, och tillförsel av läkemedel eller avbildningsmedel. Dock, en nackdel med denna syntesmetod är att de resulterande polymererna inte bryts ned naturligt i naturliga miljöer, som inuti kroppen.

MIT-forskarteamet har kommit på ett sätt att göra dessa polymerer mer nedbrytbara genom att lägga till en ny typ av byggsten till polymerens ryggrad. Denna nya byggsten, eller monomer, bildar kemiska bindningar som kan brytas ned av svaga syror, baser, och joner såsom fluorid.

"Vi tror att detta är det första allmänna sättet att producera ROMP-polymerer med lätt nedbrytbarhet under biologiskt relevanta förhållanden, säger Jeremiah Johnson, en docent i kemi vid MIT och seniorförfattaren till studien. "Det fina är att det fungerar med standard ROMP-arbetsflödet; du behöver bara strö i den nya monomeren, vilket gör det väldigt bekvämt."

Denna byggsten skulle kunna införlivas i polymerer för en mängd olika användningsområden, inklusive inte bara medicinska tillämpningar utan också syntes av industriella polymerer som skulle brytas ned snabbare efter användning, säger forskarna.

Tidningens huvudförfattare, som dyker upp i Naturkemi i dag, är MIT postdoc Peyton Shieh. Postdoc Hung VanThanh Nguyen är också författare till studien.

Kraftfull polymerisation

De vanligaste byggstenarna i ROMP-genererade polymerer är molekyler som kallas norbornener, som innehåller en ringstruktur som lätt kan öppnas upp och träs ihop till polymerer. Molekyler såsom läkemedel eller avbildningsmedel kan sättas till norbornener innan polymerisationen sker.

Johnsons labb har använt denna syntesmetod för att skapa polymerer med många olika strukturer, inklusive linjära polymerer, flaskborstepolymerer, och stjärnformade polymerer. Dessa nya material kan användas för att leverera många cancerläkemedel samtidigt, eller bära avbildningsmedel för magnetisk resonanstomografi (MRT) och andra typer av avbildning.

"Det är en mycket robust och kraftfull polymerisationsreaktion, " säger Johnson. "Men en av de stora nackdelarna är att ryggraden i de producerade polymererna helt består av kol-kolbindningar, och som resultat, polymererna är inte lättnedbrytbara. Det har alltid varit något vi har haft i bakhuvudet när vi funderar på att göra polymerer för biomaterialutrymmet."

För att kringgå det problemet, Johnsons labb har fokuserat på att utveckla små polymerer, i storleksordningen cirka 10 nanometer i diameter, som skulle kunna avlägsnas från kroppen lättare än större partiklar. Andra kemister har försökt göra polymererna nedbrytbara genom att använda andra byggstenar än norbornener, men dessa byggstenar polymeriserar inte lika effektivt. Det är också svårare att fästa droger eller andra molekyler till dem, och de kräver ofta hårda förhållanden för att försämras.

"Vi föredrar att fortsätta använda norbornen som molekylen som gör det möjligt för oss att polymerisera dessa komplexa monomerer, "Säger Johnson. "Drömmen har varit att identifiera en annan typ av monomer och lägga till den som en sammonomer i en polymerisation som redan använder norbornen."

Forskarna kom på en möjlig lösning genom arbete Shieh gjorde på ett annat projekt. Han letade efter nya sätt att utlösa läkemedelsfrisättning från polymerer, när han syntetiserade en ringinnehållande molekyl som liknar norbornen men innehåller en syre-kisel-syrebindning. Forskarna upptäckte att denna typ av ring, kallas en silyleter, kan också öppnas och polymeriseras med ROMP-reaktionen, leder till polymerer med syre-kisel-syrebindningar som bryts ned lättare. Således, istället för att använda det för läkemedelsfrisättning, forskarna bestämde sig för att försöka införliva den i polymerens ryggrad för att göra den nedbrytbar.

De fann att genom att helt enkelt tillsätta silyletermonomeren i förhållandet 1:1 med norbornenmonomerer, de kan skapa liknande polymerstrukturer som de tidigare har gjort, med den nya monomeren inkorporerad ganska likformigt genom hela ryggraden. Men nu, när de utsätts för ett svagt surt pH, runt 6,5, polymerkedjan börjar brytas isär.

"Det är ganska enkelt, ", säger Johnson. "Det är en monomer vi kan lägga till mycket använda polymerer för att göra dem nedbrytbara. Men så enkelt som det är, exempel på ett sådant tillvägagångssätt är förvånansvärt sällsynt."

Snabbare nedbrytning

I tester på möss, forskarna fann att under den första veckan eller två, de nedbrytbara polymererna visade samma fördelning genom kroppen som de ursprungliga polymererna, men de började gå sönder strax efter det. Efter sex veckor, koncentrationerna av de nya polymererna i kroppen var mellan tre och 10 gånger lägre än koncentrationerna av de ursprungliga polymererna, beroende på den exakta kemiska sammansättningen av silyletermonomererna som forskarna använde.

Fynden tyder på att tillsats av denna monomer till polymerer för läkemedelstillförsel eller avbildning kan hjälpa dem att bli borta från kroppen snabbare.

"Vi är glada över möjligheten att använda den här tekniken för att exakt justera nedbrytningen av ROMP-baserade polymerer i biologiska vävnader, som vi tror kan utnyttjas för att kontrollera biodistribution, läkemedelsfrisättningskinetik, och många andra funktioner, " säger Johnson.

Forskarna har också börjat arbeta med att lägga till de nya monomererna till industriella hartser, som plast eller lim. De tror att det skulle vara ekonomiskt möjligt att införliva dessa monomerer i tillverkningsprocesserna för industriella polymerer, för att göra dem mer nedbrytbara, och de arbetar med Millipore-Sigma för att kommersialisera denna familj av monomerer och göra dem tillgängliga för forskning.