《JACS》机械力触发的具有超高载荷小分子释放的多力敏团聚合物

大家好，今天给大家介绍的是发表在JACS上的文章，题目为Multimechanophore Polymers for Mechanically Triggered Small Molecule Release with Ultrahigh Payload Capacity，作者是来自加州理工学院的Maxwell J. Robb教授。这篇文章介绍了一种由机械力触发的具有超高载荷小分子释放的多力敏团聚合物。相比于Robb教授之前报道的小分子释放体系来说，这篇工作的亮点在于一条聚合物链可以嵌入多个力敏团，而非之前的一条聚合物链只有一个力敏团中心只能释放少量得负载。这样相同的时间下，可以释放更多的小分。这篇工作为之后的力化学触发小分子释放提供了新的见解和设计思路。

在力化学领域之前的研究中，机械力变色聚合物多是在机械力的刺激下发生表观颜色或荧光颜色的改变，从而用于传感、探伤等领域。将小分子释放的概念与力敏团相结合，拓宽了机械力化学的应用。在之前的研究中，已经有不少学者提供了这方面的见解，可以释放出CO，HCl，呋喃等小分子。在简单释放小分子的基础上，机械力门控级联反应的概念被进一步提出，这可以将机械力激活步骤和小分子释放分离开，从而将小分子释放步骤一般化，模块化，可以更好的满足不同小分子的释放要求。但是在之前的工作中，通常是将力敏团放置在聚合物链的中心，从而使其被充分激活。虽然激活的效果不错，但是每条聚合物链一次只能释放一个负载小分子，使其具有很大的局限性，如图1a所示。

因此为了解决这个问题，作者在本文中引入了一种之前报道过的非断裂激活的概念，从而达到超高载荷小分子释放的效果。其设计思路如图1b所示。这些非断裂的力敏团可以被嵌入到包含许多重复序列的多力敏团聚合物（MMPs）中，这些重复序列沿着聚合物链的大部分可以被机械力所激活。其中力敏团是基于富马酸呋喃酯的分子内DA反应制备的，大环化可以通过ROMP共聚，从而获得能够实现多机械载体激活和有效的有效载荷释放的MMPs。通过CoGEF理论计算模拟出，该力敏团在3.4 nN的力下可以发生逆DA反应。

图1：通过逆DA反应触发级联，从而使含有富马酸呋喃酯力敏团的聚合物进行小分子释放。

在得到理论计算的支持后，作者就通过图2所示路线，合成了目标的力敏团，其中选择的载荷分子是在他们之前研究中提到过的氨基香豆素分子（CoumNH2）。这类分子本身具有荧光，通过机械力激活后，从力敏团上被释放出来，方便于后续的小分子释放检测。

图2：基于富马酸呋喃酯的力敏团的合成路线

同时作者还制备了MMP聚合物的对照小分子COEOAC。通过对比MMP和COEOAC的核磁可以发现氨基香豆素分子的特征峰可以对应上，这说明聚合后并没有丢失，证实了ROMP对大环烯烃具有选择性。

图3：(a) MMP聚合物的制备流程；(b) MMP聚合物的对照小分子COEOAC的核磁特征峰比较

在得到相应的聚合物后，作者首先选择了MMP80这一分子量的聚合物进行超声实验，同时选择分子量相近的PMA聚合物作为对照实验。从图4a 可以看出随着超声时间的延长，逐渐有氨基香豆素分子释放出来，导致荧光发射光谱信号明显增强，在35 min左右时达到平衡，可以释放约65%，每条聚合物链大约22个小分子。而作为对照的PMA分子即使超声170 min 后释放的目标小分子也非常少，激活效果虽然能达到96%，但是每条聚合物仅能释放1个小分子。这大大说明了该方式的可行性。

图4：(a) MMP80的超声诱导激活释放小分子；(b) 随着超声时间延长小分子释放的荧光发射光谱

最后作者探究了不同分子量对小分子释放的影响。分别合成了MMP23，MMP80以及MMP295。其中MMP295聚合物中嵌入了约40%的力敏团，每条聚合物链上有340个载荷小分子，而MMP23聚合物中只嵌入了约12%的力敏团。在对这三种聚合物进行超声实验后，可以明显的从图5中看出，当分子量明显增大后，其小分子释放率明显增加，MMP295可以释放约60%的小分子，大约在每条链上就是203个小分子，而且相比于MMP80，分子量较大时达到平衡只用了10 min。而分子量较少的MMP23只有8%的小分子释放，这说明MMP的机械力激活同样有着分子量依赖性的特点。

图5：(a) 不同分子量MMP的机械力激活情况；(b) 每个链释放的CoumNH2数量与超声时间的关系曲线

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推文详情：https://doi.org/10.1021/jacs.3c11927