聚合引发剂

【研究背景】合成多肽是一类重要的生物材料，因其生物相容性、生物活性和可降解性广泛应用于蛋白质和肽模拟、抗菌剂、药物递送、组织工程等领域。与传统的生物材料相比，合成多肽材料能够通过调节聚合物长度和侧链结构（如带正电荷或疏水基团）来优化其性能，具有更好的结构可调性和功能多样性。然而，传统的N-羧基酸酐（NCA）开环聚合方法存在反应速度慢、对水分敏感等问题，通常需要无水条件和手套箱操作，这对没有有机合成背景的研究人员带来了实验操作的挑战。近日，来自华东理工大学特聘教授刘润辉课题组的武月铭等研究人员在多肽合成领域取得了新进展。该团队设计了一种以六甲基二硅氮锂（LiHMDS）为引发剂的超快速NCA开环聚合方法，成功实现了在手套箱外开口容器中进行高效多肽合成。该方法极大地提高了NCA聚合的反应速度，能够在几分钟内完成反应，并且对水分不敏感，简化了实验操作条件。此外，该方法可通过调节单体与引发剂的比例，合成不同链长和结构的多肽，具有良好的可扩展性和灵活性。利用这一新方法，研究人员显著提高了多肽合成的效率，成功制备了不同链长的聚（γ-苄基-L-谷氨酸）等功能性多肽材料。这一研究成果为多肽的快速高效制备提供了新的技术路径，也为其在生物医学领域的广泛应用奠定了基础。【表征解读】本文通过多种仪器和表征手段深入研究了LiHMDS引发的超快NCA开环聚合反应及其生成的多肽材料，揭示了其优异的反应效率和分子量可控性。通过GPC（凝胶渗透色谱）表征，本文发现LiHMDS引发的聚-BLG在反应时间上显著缩短，仅需5分钟即可完成反应，而传统的伯胺引发反应通常需要1-2天。所得聚-BLG表现出单一的GPC峰，平均分子量为6600 g/mol，分散性较窄，说明该反应体系具有良好的分子量控制能力和聚合物均一性。这一发现不仅揭示了LiHMDS在合成速率上的显著优势，也为大规模多肽库的快速制备提供了可能性。针对多肽共聚物的合成和表征，本文通过NMR（核磁共振氢谱）表征了LiHMDS引发的随机共聚物的阳离子氨基酸残基比例。研究发现，随着单体投料比的不同，去保护后的共聚物中阳离子残基的比例逐渐增加，并与单体进料比高度一致。这一结果表明LiHMDS引发的NCA聚合反应不仅快速高效，还具有良好的可控性，能够精确调节共聚物的成分比例，进而为功能性多肽材料的定向设计提供了新的方法和思路。在此基础上，本文通过LiHMDS引发的超快NCA聚合反应，利用BLG NCA和Boc-d,l-Lys NCA混合物成功制备了多肽共聚物。通过多种表征手段，如GPC、NMR等，研究了不同反应条件下所制备共聚物的分子结构及其组成变化。结果表明，所制备的共聚物分子量可控且分散性较窄，阳离子残基比例与投料比高度吻合，证明了该反应体系在控制聚合物结构方面的有效性。这一系列表征结果不仅有助于进一步理解LiHMDS引发NCA聚合的反应机理，也为多肽共聚物的设计提供了数据支持。总之，本文通过GPC、NMR等表征手段深入分析了LiHMDS引发的超快NCA聚合反应，揭示了其快速、可控且不敏感于水分的优异反应特性，进而成功制备了具有精确可控分子结构的多肽及其共聚物。该研究为未来大规模多肽材料的合成及其在生物医学领域的应用奠定了坚实的基础，并最终推动了多肽材料在抗菌药物、基因递送和组织工程等领域的进一步发展和应用。LiHMDS引发的超快NCA开环聚合反应示意图参考文献：Wu, Y., Chen, K., Wang, J. et al. Open-vessel polymerization of N-carboxyanhydride (NCA) for polypeptide synthesis. Nat Protoc (2024). https://doi.org/10.1038/s41596-024-01062-3

基于可逆失活自由基聚合（RDRP） 的3D 打印技术为制备具有“活性”的聚合物材料提供了有效手段。该类材料由于保留有活性位点，可进一步用于聚合后修饰及功能化，以制备多种多样的刺激响应性材料，目前正成为该领域的研究热点。然而，相较于商用体系，已有技术的打印速率通常较低，限制了其实际应用。同时，已报道工作主要基于RDRP方法，机理较为单一。近期，苏州大学朱健教授团队探索了基于阳离子可逆加成断裂链转移（RAFT）聚合的立体光刻蚀（SLA）3D打印（ACS Macro Lett. 2021, 10, 1315）以及阳离子/自由基RAFT聚合联用的数字光处理（DLP）3D打印（Macromolecules 2022, 55, 7181）。拓宽了活性3D打印的聚合机理及单体适用范围，为调控材料性能提供了丰富手段。相较于自由基RAFT聚合，阳离子RAFT聚合通常具有更快的聚合速率。在本文中，该研究团队考察了基于自由基促进的阳离子RAFT（RPC-RAFT）聚合的DLP 3D打印体系，实现了较为快速的打印速率（12.99 cm/h）。首先，作者设计了模型聚合来研究该方法的聚合行为，其机理如图一所示。商业可得的光引发剂（TPO）与二苯基碘鎓盐（DPI）被用于产生初始的阳离子引发种，随后聚合由一种二硫代氨基甲酸酯RAFT试剂（图3 B）通过阳离子RAFT过程调控。图1. 推测的聚合机理。如图2A所示，聚合呈现一级线性动力学，聚合物分子量与理论值吻合较好，分子量分布窄，符合活性聚合特征。图2. 在405 nm波长光源下IBVE的聚合动力学结果：A） 单体转化率半对数与聚合时间的关系曲线；B） 分子量（Mn）和分子量分布（Ɖ ）与单体转化率的关系；C）IBVE聚合物的SEC曲线。随后研究团队详细研究了交联体系的聚合行为（图3），对双官能度单体二乙二醇二乙烯基醚（DDE），单官能度单体异丁基乙烯基醚（IBVE），RAFT试剂以及TPO/DPI引发体系不同配比进行了考察。结果显示没有IBVE时，聚合速率与单体最终转化率降低，这可能是由过高的交联密度导致。DDE与IBVE的比例在3:1到1:3之间变化时对聚合速率影响较小。进一步提高IBVE含量则会导致鎓盐析出。改变RAFT试剂的比例对聚合速率影响较小，这与传统的自由基RAFT聚合不同，可能是由于在阳离子RAFT聚合中不存在阻聚效应。图3. A）商用DLP 3D打印机模型示意图；B） 用于RPC-RAFT聚合3D打印的树脂配方； 聚合树脂在405 nm波长光源照射以及不同反应条件下单体的转化率与时间曲线：C） 不同光催化剂浓度；D）不同官能度乙烯基醚配比；E）不同RAFT试剂浓度。利用优化后的打印树脂与商业可得的DLP 3D打印机，研究团队成功打印出具有较好分辨率的物体（图4）。然而，打印速率最高为6.77 cm/h。当进一步优化打印条件提高速率时，由于IBVE相对较低的沸点（83 °C），释放的聚合热使树脂出现了沸腾现象。 图4. 具有不同形状的3D物体数字模型以及相应的3D打印实体模型。于是研究人员将低沸点的IBVE替换为高沸点（179.09 °C）的环己基乙烯基醚（CVE），成功将打印速率提升至12.99 cm/h，该速率为目前活性打印体系的最高值。在该打印条件下，成功打印出具有不同形成的三维物体（图5）。 图5. 具有不同形状的3D物体数字模型以及相应的3D打印实体模型。最终，研究人员通过荧光单体（TPE-a）的聚合后修饰证明了所打印物体的活性特征。如图6所示，在利用该树脂所打印的薄膜表面涂上荧光单体溶液并用打印机形成的图案光照射，随后洗去溶液。经过照射的部分由光引发RAFT聚合扩链成功实现了荧光单体的接枝，因此在紫外光下呈现出荧光图案（图6 F）。在对比实验中，打印的薄膜由不含RAFT试剂的树脂制备，经过相同操作后在紫外光下则无荧光图案（图6 D），证明了该方法所打印物体具有活性特征。 图6. A） DLP 3D打印机中进行3D打印物体后功能化修饰示意图；B）3D打印物体后功能化修饰机理图；C） 未经后功能化修饰的3D打印物体在可见光下的数字图像；D） 未经后功能化修饰的3D打印物体在紫外光下的数字图像；E） 经后功能化修饰的3D打印物体在可见光下的数字图像；F） 经后功能化修饰的3D打印物体在紫外光下的数字图像。该工作以“Fast Living 3D Printing via Free Radical Promoted Cationic RAFT Polymerization”为题发表在《Small》上 。论文第一作者是苏州大学在读博士生赵博文，通讯作者为苏州大学朱健教授和李佳佳博士后。该工作获得了国家自然科学基金，中国博士后科学基金以及江苏省优势学科基金的资助。后续工作敬请关注。原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202207637摩方精密作为微纳3D打印的先行者和领导者，拥有全球领先的超高精度打印系统，其面投影微立体光刻（PμSL）技术可应用于精密电子器件、医疗器械、微流控、微机械等众多科研领域。在三维复杂结构微加工领域，摩方团队拥有超过二十年的科研及工程实践经验。针对客户在新产品开发中可能出现的工艺和材料难题，摩方将持续提供简易高效的技术支持方案。

【科学背景】聚合物粘合剂在消费品、工业和医疗产品中扮演着至关重要的角色。随着人们对多功能性和环保要求的不断提高，聚合物粘合剂的研究逐渐成为热点。然而，现有的大多数粘合剂性能通常针对特定用途，难以适应多样化的需求，且大多源于不可再生资源，对环境造成负担。特别是α-硫辛酸（αLA）聚合物作为一种潜在的环保粘合剂，虽然在各种应用中表现出色，并具备闭环回收的能力，但在某些条件下容易发生自发解聚，这一挑战限制了其广泛应用。为解决这一问题，加州大学伯克利分校的Phillip B. Messersmith教授课题组开发了一种新型的无催化剂αLA聚合方法，显著提高了聚合物的稳定性，并拓展了其应用范围。研究团队通过对单体成分的微调，成功制备出一种在干燥和潮湿条件下均能良好发挥作用的压敏粘合剂，以及强度相当于传统环氧树脂的结构粘合剂。特别是，αLA手术强力胶在封住小鼠羊膜囊破裂的实验中，成功将胎儿存活率从0%提高到100%。这些成果表明，αLA聚合物不仅能满足多种应用需求，还支持闭环回收，具有显著的环境和应用价值。相关研究成果已在《Science》上发表。【科学亮点】1. 实验首次开发了稳定的α-硫辛酸（αLA）聚合物粘合剂，并成功避免了在存储和使用过程中自发解聚的问题。这一成果通过在聚合物中添加电亲核试剂来实现，使粘合剂在闭环回收系统中表现稳定。2. 实验通过调整单体成分，制得了适应不同环境条件的粘合剂。其中，压敏粘合剂在干燥和潮湿条件下均能良好工作，而结构粘合剂的强度与传统环氧树脂相当。这种多功能性使得粘合剂可广泛应用于各种场合。3. 实验展示了αLA手术强力胶的医疗应用。该胶成功密封了小鼠羊膜囊的破裂，显著提高了胎儿的存活率，从0%提升至100%。这一成果表明，αLA聚合物在医疗领域具有重要的应用潜力。【科学图文】图 1. 单体结构和前体溶液聚合的一般方案。图 2. S1 稳定的 αLA 聚合物的整体机械性能。图 3. αLA 强力胶的离体和体外表征。图 4. αLA 强力胶作为胎膜密封剂的体内生物学性能。图 5. 稳定αLA粘合剂的压敏和结构粘合剂性能以及生命周期图。【科学结论】本文开发了一种新型的环保型聚合物粘合剂，这些粘合剂不仅具有广泛的应用潜力，还能在多种环境条件下稳定发挥作用。通过在α-硫辛酸（αLA）聚合物中引入电亲核试剂，研究人员成功防止了闭环解聚现象，从而显著提高了粘合剂的稳定性和使用寿命。这一突破为粘合剂的设计提供了新的思路，即通过调整单体成分来优化粘合剂在干湿条件下的表现。这种粘合剂在医疗领域的应用尤为突出，如在小鼠羊膜囊修复中的成功案例，展示了其在提高胎儿存活率方面的巨大潜力。最重要的是，该研究强调了材料的可持续性和闭环回收的重要性，提出了可持续发展的解决方案，以应对传统粘合剂带来的环境挑战。总体而言，这项研究不仅推动了粘合剂领域的技术进步，也为其他材料的绿色设计提供了宝贵的参考。参考文献：Subhajit Palet al. ,Recyclable surgical, consumer, and industrial adhesives of poly(α-lipoic acid).Science385,877-883(2024).DOI:10.1126/science.ado6292