聚（丙烯酰-L-丝氨酸）的合成和后修饰

分享一篇近期发表在Macromolecules上的研究进展，题为：Poly(Acryloyl‑L‑Serine): A Reactive Polypeptide to Introduce Zwitterion and Amphiphilicity for Stimuli-Responsiveness and Gelability。该工作的通讯作者是来自Indian Association for the Cultivation of Science的Tarun K. Mandal。

官能团的引入是赋予聚合物功能、生物活性和刺激响应性的重要手段。合成聚多肽，是一类重要的仿生高分子。近年来，化学家通过官能化N-羧基内酸酐（NCA）的直接聚合或聚合后修饰的策略成功将一系列编码氨基酸所不具有的官能团引入了聚多肽的侧基，如烯基、炔基、叠氮和卤素等。长期以来，聚丝氨酸的合成和官能化富有挑战。聚丝氨酸形成β-折叠的强烈倾向极大降低了聚合物的溶解性，阻碍了可控聚合的进行和聚合产物的后修饰。

本文中，作者报道了丙烯酰官能化的聚丝氨酸的合成和后修饰，并研究了后修饰产物的刺激响应性和凝胶化。

首先介绍聚（丙烯酰-_L-丝氨酸）（后简写为P(AcSer)）的合成（图1）。从_L-丝氨酸出发，作者使用Cu(II)配位保护的方法实现了羟基的选择性酰化，得到O-丙烯酰-_L-丝氨酸（L-SerA）。L-SerA三光气法环化后便得到了L-SerA NCA，NCA加入HMDS引发剂在室温下DMF溶剂中反应2天后便得到了P(AcSer)。值得注意的是，作者为了避免聚合物的沉淀，将单体-引发剂比控制在20:1的较低比例，最终得到Mn为2.7 kDa、Đ为1.34的P(AcSer)。

图1. P(AcSer)的合成

随后，作者研究了P(AcSer)的后修饰（图2）。借助thio-Michael反应，作者成功在DMF/PBS混合溶剂中实现了巯基物种对P(AcSer)的后修饰。半胱氨酸（Cys）修饰后得到的是聚两性离子P(AcSer)-g-Cys，修饰效率可达95%（6 eq. Cys，反应24 h）。P(AcSer)-g-Cys在PBS（pH = 8）中稳定，更高pH下逐渐分解。有趣的是，在2.2-4.1的pH范围内P(AcSer)-g-Cys会可逆地变浑浊（聚集），而在其他pH下保持澄清（图3）。pH 2.2-4.1的浊液在加热后变澄清，呈现出UCST现象。

图2. P(AcSer)的后修饰

图3. P(AcSer)-g-Cys的pH响应性

巯基三乙二醇单甲醚修饰后的聚合物P(AcSer)-g-MTEG具有两亲性——主链疏水而侧基亲水，在水溶液中自组装得到纳米尺度的囊泡（图4）。DLS和TEM均支持同时产生了一大一小两类组装体。P(AcSer)-g-MTEG组装体能够封装尼罗红染料，荧光共聚焦显微图像支持组装体为囊泡（图5）。此外，P(AcSer)-g-MTEG因低聚乙二醇的引入还具有LCST行为。

图4. P(AcSer)-g-MTEG的自组装（0.25 mg/mL）。（A）不同时间的DLS曲线；（B）48 h的FEG-TEM；6 h的cryo-TEM

图5. P(AcSer)-g-MTEG封装尼罗红染料（小图：荧光共聚焦显微照片）

随后，作者尝试了使用多巯基物种通过thio-Michael反应交联P(AcSer)或者借助二烯基交联剂的自由基聚合实现凝胶化（图6）。值得注意的是，在自由基交联中，作者使用的交联剂本身也是一种离子液体，由作者在前期工作中开发（Langmuir 2023, 39, 9757）。自由基交联得到的凝胶G3在水中可以溶胀415%，作者推测这个高溶胀率是由氯离子的高渗透压导致的。离子水凝胶具有药物/染料吸附和污水处理的潜在应用价值。作者尝试了使用G3水凝胶吸附EB（曙红B）染料和SZ（柳氮磺吡啶）药物两种分子（图7）。最终，24 h和48 h后，水凝胶展现出了显著的吸附效果。