MIT-chemici hebben een manier bedacht om polymeren te synthetiseren die gemakkelijker kunnen worden afgebroken in het lichaam en in het milieu.

Een chemische reactie genaamd ringopening metathese polymerisatie, of ROMP, is handig voor het bouwen van nieuwe polymeren voor verschillende toepassingen zoals nanofabricage, hoogwaardige harsen, en het afleveren van medicijnen of beeldvormende middelen. Echter, een nadeel van deze synthesemethode is dat de resulterende polymeren niet van nature afbreken in natuurlijke omgevingen, zoals in het lichaam.

Het MIT-onderzoeksteam heeft een manier bedacht om die polymeren beter afbreekbaar te maken door een nieuw type bouwsteen toe te voegen aan de ruggengraat van het polymeer. Deze nieuwe bouwsteen, of monomeer, vormt chemische bindingen die kunnen worden afgebroken door zwakke zuren, bases, en ionen zoals fluoride.

"Wij geloven dat dit de eerste algemene manier is om ROMP-polymeren te produceren met gemakkelijke afbreekbaarheid onder biologisch relevante omstandigheden, " zegt Jeremia Johnson, een universitair hoofddocent chemie aan het MIT en de senior auteur van de studie. "Het leuke is dat het werkt met de standaard ROMP-workflow; je hoeft alleen maar het nieuwe monomeer in te strooien, waardoor het erg handig is."

Deze bouwsteen kan worden verwerkt in polymeren voor een breed scala aan toepassingen, waaronder niet alleen medische toepassingen, maar ook de synthese van industriële polymeren die na gebruik sneller zouden afbreken, zeggen de onderzoekers.

De hoofdauteur van het artikel, die verschijnt in Natuurchemie vandaag, is MIT-postdoc Peyton Shieh. Postdoc Hung VanThanh Nguyen is ook een auteur van de studie.

Krachtige polymerisatie

De meest voorkomende bouwstenen van door ROMP gegenereerde polymeren zijn moleculen die norbornenen worden genoemd, die een ringstructuur bevatten die gemakkelijk kan worden geopend en aan elkaar geregen om polymeren te vormen. Moleculen zoals medicijnen of beeldvormende middelen kunnen aan norbornenen worden toegevoegd voordat de polymerisatie plaatsvindt.

Johnson's lab heeft deze synthesebenadering gebruikt om polymeren te maken met veel verschillende structuren, inclusief lineaire polymeren, flessenborstel polymeren, en stervormige polymeren. Deze nieuwe materialen kunnen worden gebruikt om veel kankermedicijnen tegelijk af te leveren, of het dragen van beeldvormingsmiddelen voor magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) en andere soorten beeldvorming.

"Het is een zeer robuuste en krachtige polymerisatiereactie, Johnson zegt. "Maar een van de grote nadelen is dat de ruggengraat van de geproduceerde polymeren volledig bestaat uit koolstof-koolstofbindingen, en als een resultaat, de polymeren zijn niet gemakkelijk afbreekbaar. Dat is altijd iets geweest dat we in ons achterhoofd hebben gehouden bij het nadenken over het maken van polymeren voor de biomaterialenruimte."

Om dat probleem te omzeilen, Johnson's lab heeft zich gericht op het ontwikkelen van kleine polymeren, in de orde van ongeveer 10 nanometer in diameter, die gemakkelijker uit het lichaam kunnen worden verwijderd dan grotere deeltjes. Andere chemici hebben geprobeerd de polymeren afbreekbaar te maken door andere bouwstenen dan norborneen te gebruiken, maar deze bouwstenen polymeriseren niet zo efficiënt. Het is ook moeilijker om er medicijnen of andere moleculen aan te hechten, en ze hebben vaak zware omstandigheden nodig om af te breken.

"We geven er de voorkeur aan om norborneen te blijven gebruiken als het molecuul dat ons in staat stelt om deze complexe monomeren te polymeriseren, Johnson zegt. "De droom was om een ​​ander type monomeer te identificeren en het als co-monomeer toe te voegen aan een polymerisatie die al norborneen gebruikt."

De onderzoekers kwamen op een mogelijke oplossing door werk dat Shieh aan een ander project deed. Hij was op zoek naar nieuwe manieren om de afgifte van medicijnen uit polymeren te stimuleren, toen hij een ringbevattend molecuul synthetiseerde dat vergelijkbaar is met norborneen, maar een zuurstof-silicium-zuurstofbinding bevat. De onderzoekers ontdekten dat dit soort ring, een silylether genoemd, kan ook worden geopend en gepolymeriseerd met de ROMP-reactie, wat leidt tot polymeren met zuurstof-silicium-zuurstofbindingen die gemakkelijker worden afgebroken. Dus, in plaats van het te gebruiken voor het vrijgeven van medicijnen, de onderzoekers besloten om te proberen het in de polymeerruggengraat op te nemen om het afbreekbaar te maken.

Ze ontdekten dat door simpelweg het silylethermonomeer toe te voegen in een 1:1 verhouding met norborneenmonomeren, ze zouden vergelijkbare polymeerstructuren kunnen creëren als wat ze eerder hebben gemaakt, waarbij het nieuwe monomeer vrij uniform door de ruggengraat is opgenomen. Maar nu, bij blootstelling aan een licht zure pH, rond de 6.5, de polymeerketen begint uiteen te vallen.

"Het is heel simpel, Johnson zegt. "Het is een monomeer dat we aan veelgebruikte polymeren kunnen toevoegen om ze afbreekbaar te maken. Maar hoe simpel dat ook is, voorbeelden van een dergelijke aanpak zijn verrassend zeldzaam."

Snellere afbraak

In proeven bij muizen, de onderzoekers ontdekten dat tijdens de eerste twee weken, de afbreekbare polymeren vertoonden dezelfde verdeling door het lichaam als de oorspronkelijke polymeren, maar ze begonnen snel daarna af te breken. Na zes weken, de concentraties van de nieuwe polymeren in het lichaam waren drie tot tien keer lager dan de concentraties van de oorspronkelijke polymeren, afhankelijk van de exacte chemische samenstelling van de silylethermonomeren die de onderzoekers gebruikten.

De bevindingen suggereren dat het toevoegen van dit monomeer aan polymeren voor medicijnafgifte of beeldvorming zou kunnen helpen om ze sneller uit het lichaam te verwijderen.

"We zijn enthousiast over het vooruitzicht om deze technologie te gebruiken om de afbraak van op ROMP gebaseerde polymeren in biologische weefsels nauwkeurig af te stemmen, waarvan we denken dat ze kunnen worden gebruikt om de biodistributie te beheersen, kinetiek van medicijnafgifte, en vele andere functies, ' zegt Johnson.

De onderzoekers zijn ook begonnen met het toevoegen van de nieuwe monomeren aan industriële harsen, zoals kunststoffen of lijmen. Ze geloven dat het economisch haalbaar zou zijn om deze monomeren op te nemen in de productieprocessen van industriële polymeren, om ze beter afbreekbaar te maken, en ze werken samen met Millipore-Sigma om deze familie van monomeren te commercialiseren en beschikbaar te stellen voor onderzoek.