聚(O-丙炔基-N-氨基氨基甲酸酯)，一种可用于支撑聚(乙炔)生物医学应用的活性聚合物

《Macromolecular Rapid Communications》：Poly(O-Propargyl-N-Amino Carbamate), a Reactive Polymer to Underpin Biomedical Applications of Poly(acetylene)s

聚乙炔类材料在生物医学中的应用研究进展：以新型水溶性聚乙炔P1为例

　　本文介绍了一种新的反应性聚乙炔材料，即聚（O-丙炔基-N-氨基氨基甲酸酯）（P1），并探讨了其在水性条件下的功能化潜力及在生物医学应用中的可行性。聚乙炔类材料因其独特的动态螺旋结构，具有在外界刺激下改变其构型的特性，这使得它们在智能材料开发中具有巨大前景。然而，这类材料在传统有机溶剂中通常难以溶解于水，限制了其在生物医学领域的应用。因此，研究团队设计并合成了一种可在水性条件下进行功能化的聚乙炔前体，以克服这一障碍。

### 聚合物的合成与结构表征

P1的合成基于Rh催化的聚合反应，使用了一种经过保护的单体，即O-丙炔基-N-叔丁基氨基氨基甲酸酯（M1）。该单体通过丙炔基氯甲酸酯（1）与叔丁基碳二酰胺（2）在乙酸乙酯中进行反应，最终得到目标产物。为了确保反应的可控性，聚合过程在无水和无氧条件下进行，并使用了[ Rh(nbd)BPh4 ]作为催化剂。随后，通过酸性条件下的脱保护反应，将M1转化为P1，这一过程在温和条件下进行，以避免聚合物主链的降解。

结构表征方面，使用了多种技术手段，包括核磁共振（NMR）、红外光谱（FT-IR）、紫外-可见光谱（UV-vis）和差示扫描量热法（DSC）。NMR结果显示，P1中具有较高的顺式双键含量，这表明其主链结构在水性条件下保持了一定的稳定性。UV-vis和DSC进一步支持了P1主要呈现顺式-顺式构型的结论。此外，通过圆二色光谱（CD）对P1的保护衍生物（Boc-P1）进行了分析，发现其具有特定的螺旋结构特征，这为后续的功能化反应提供了结构基础。值得注意的是，部分脱保护的P1在水性溶液中可能呈现多种构型，包括顺式-顺式构型和顺式-反式构型，这可能与溶剂环境的改变有关。

### 功能化反应与非共价相互作用

为了拓展P1的应用范围，研究团队在水性条件下对其进行了功能化反应，使用了多种醛类化合物和糖类物质。功能化反应的效率与醛类分子是否能够通过非共价相互作用（如氢键和范德华力）稳定螺旋构型密切相关。实验结果显示，对于能够形成氢键的醛类（如3-胍基-N-(3-氧代丙基)丙酰胺）和具有较强范德华力的醛类（如苯甲醛），其功能化效率显著提高。此外，一些异环醛（如咪唑-4-羧醛和吡啶-3-羧醛）也表现出良好的功能化效果，而某些取代苯甲醛（如4-羟基苯甲醛）由于电子效应和空间位阻，功能化效率较低。

在糖类功能化方面，研究团队测试了多种单糖和多糖，发现P1在水性条件下与糖类反应的功能化效率相对较低，尤其是当使用葡萄糖时，仅观察到约34.8%的功能化率。这一现象可能与糖类的反应活性较低以及水性环境中的平衡常数有关。然而，某些糖类（如N-乙酰葡糖胺）仍然表现出较好的功能化效果，表明P1在不同分子类型的功能化反应中具有一定的通用性。

### 生物相容性与细胞毒性

研究团队进一步评估了P1及其功能化衍生物在生物医学中的应用潜力，通过细胞活力实验（CCK8）测试了其对多种细胞系的毒性。实验选择了HeLa细胞（来自宫颈癌细胞）、HEK 293T细胞（来自人类胚胎肾细胞）和iMSC#9细胞（来自人类骨髓间充质干细胞），以确保结果的广泛适用性。结果显示，P1及其功能化衍生物（如P1-mod-4）在浓度范围1-100 μg·mL?1下均表现出良好的生物相容性，细胞活力均高于75%。此外，对于3-胍基-N-(3-氧代丙基)丙酰胺（4）这类阳离子醛，单独使用时可能对细胞产生一定的毒性，但在与P1结合后，其毒性显著降低，细胞活力维持在85%以上。

这些结果表明，P1不仅能够通过非共价相互作用稳定其螺旋构型，还能够通过功能化反应引入多种生物活性基团，从而增强其在生物医学领域的应用潜力。此外，其良好的生物相容性也为进一步开发具有特定功能的聚乙炔材料提供了坚实的基础。

### 应用前景与研究意义

聚乙炔材料因其独特的螺旋结构和动态响应特性，在生物医学领域具有广阔的应用前景。例如，它们可以用于开发智能药物载体，能够根据外界刺激（如pH、温度或代谢物浓度）改变其构型，从而实现药物的可控释放。此外，聚乙炔材料还可用于构建具有靶向能力的生物材料，如用于组织工程或药物输送的纳米载体。

本文的研究成果不仅为聚乙炔材料的合成提供了新的思路，也为其在生物医学领域的应用开辟了新的方向。通过在水性条件下合成P1，并利用其动态螺旋结构进行功能化，研究团队成功克服了传统聚乙炔材料难以在水性环境中应用的障碍。这一突破为开发具有多种功能的生物相容性材料提供了可能，特别是在药物输送、组织工程和生物传感器等领域。

### 研究方法与实验设计

为了系统地评估P1的功能化效率和生物相容性，研究团队设计了一系列实验。首先，通过NMR光谱对P1的功能化程度进行了定量分析，比较了醛基信号与酰肼信号的积分值。其次，通过UV-vis光谱分析了不同功能化后材料的吸收特性，进一步验证了其螺旋结构的稳定性。此外，CD光谱用于评估P1的螺旋构型，而DSC则用于研究其热行为。这些表征手段为理解P1的结构变化和功能化反应机制提供了重要的实验依据。

在细胞毒性评估方面，研究团队采用了CCK8试剂盒，这是一种基于细胞代谢活性的检测方法，能够准确反映细胞的存活率。实验结果表明，P1及其功能化衍生物在水性条件下对多种细胞系均表现出良好的生物相容性，为后续的生物医学应用研究奠定了基础。

### 潜在的机理探讨

研究团队还探讨了P1功能化效率的潜在机理。他们认为，非共价相互作用（如氢键和范德华力）在稳定螺旋构型方面起到了关键作用。例如，3-胍基-N-(3-氧代丙基)丙酰胺（4）能够通过其胍基形成氢键，从而增强螺旋结构的稳定性；而苯甲醛（8）则可能通过范德华力稳定螺旋构型。此外，某些阳离子醛（如4）在功能化过程中可能通过静电相互作用进一步促进螺旋构型的形成，从而提高功能化效率。

对于某些取代苯甲醛（如9-11），功能化效率较低，这可能与它们在芳香环上的取代基对螺旋构型的干扰有关。这些取代基可能导致分子间排列不理想，从而降低功能化反应的效率。同样，糖类的功能化效率也受到分子结构的影响，某些糖类（如葡萄糖）可能由于其较低的反应活性或水性环境中的平衡限制，导致功能化程度较低。

### 未来研究方向

尽管本文已经取得了显著的进展，但仍有一些问题值得进一步研究。例如，P1的功能化反应是否能够实现更高的效率？是否有其他醛类或功能化基团可以更有效地稳定螺旋构型？此外，P1在不同生物环境中的稳定性如何？其是否能够在体内维持较长的循环时间？这些问题的答案将有助于进一步优化P1的功能化策略，并拓展其在生物医学中的应用范围。

此外，研究团队还提到，P1的某些功能化衍生物（如P1-mod-13）在pH 3条件下可能具有较高的质子化程度，这可能对其在生物体内的行为产生重要影响。因此，进一步研究其在不同pH环境下的行为，将有助于理解其在生物医学中的实际应用潜力。

总之，本文通过合成一种新型的反应性聚乙炔材料P1，并探索其在水性条件下的功能化反应及其生物相容性，为聚乙炔材料在生物医学领域的应用提供了重要的理论和实验基础。未来的研究可以进一步优化P1的功能化反应条件，探索其在更广泛的生物医学场景中的应用潜力。