一锅法酶联催化引发RAFT水相异相聚合制备生物可降解核交联星型聚合物及其应用研究

Core cross-linked star (CCS) polymers with a large number of arms connected to a densely cross-linked core, which is much smaller than the dimension of the arm, are an important class of star polymers. CCS polymers have been applied in many areas due to their compact structure, core-shell isolation and many surface functional groups. Up to now, RAFT heterogeneous polymerization is one of the most efficient methods for synthesizing CCS polymers. However, most of current CCS polymers prepared by RAFT heterogeneous polymerization lack good degradability, since the core of them is often crosslinked by non-degradable crosslinker. Synthesis of this class of polymer is usually carried out in oxygen-free conditions by thermal initiated polymerization with two-step process. Here, one-pot enzymatic cascade catalysis (i.e. P2Ox-HRP) RAFT polymerization is employed to prepare CCS polymers with a mild reaction temperature of 30 °C, open air, and solvent of water. To proof this, different arm polymers are investigated to prepare CCS polymers by chain extension with pH-responsive or redox-responsive crosslinkers and hydrophilic or hydrophobic monomers. This research would provide theoretical guidance for industrialization of CCS polymers prepared by enzymatic cascade catalysis (i.e. P2Ox-HRP) RAFT polymerization. Moreover, applications of CCS polymers in imaging and drug loading will be studied by further functionalization.

核交联星型聚合物是一种重要的高分子构型，具有数目众多的高分子臂与表面功能团，在很多领域有广泛应用。截止目前，RAFT异相聚合是合成核交联星型聚合物最高效的方法之一，但采用的大都是不可降解的交联剂，限制着核交联星型聚合物在生物材料上的应用。针对目前核交联星型聚合物的制备条件：高温引发(70 °C)、严格无氧、分步制备，本项目提出P2Ox-HRP酶联催化引发RAFT水相异相聚合的策略，在温和反应温度(30 °C)、敞开容器中，一锅法制备可降解核交联星型聚合物。本项目研究的可降解核交联星型聚合物涉及三种在医学材料方面有广泛应用的高分子臂、两种具有pH响应或还原响应的交联剂以及亲水性或憎水性的功能单体，将深入阐明一锅法P2Ox-HRP酶联催化制备核交联星型聚合物的机制，为推动核交联星型聚合物产业化提供理论基础。应用方面，通过进一步功能化，初步探索核交联星型聚合物在成像与载药等方面的应用。

基因治疗面临的最大挑战是缺少安全、有效的基因递送载体。研究发现，数均分子量低于20 KDa的阳离子聚合物几乎不具备基因转染能力；随着分子量的增大，基因转染效果增强，但毒性也随之增大；相同分子量的阳离子聚合物，非线性比线性结构具有更高的基因转染效率。阳离子星型聚合物作为非线性构型，属于最简单的枝化形式，分子量分布在106以上，整体呈现高度对称的球形，具有适度的柔韧性和较高的阳离子电荷密度，是非常有潜力的基因转染载体。可逆加成-断裂链转移聚合（RAFT）作为可控自由基聚合的一种，可以用来合成低分散度、高转化率的核交联星型聚合物，而且可以通过自由基开环聚合环烯酮缩醛结构分子，在其碳碳骨架中引入可降解的酯键。我们的主要研究内容和结果如下：1、采用RAFT异相聚合制备出核交联星型高分子，并研究了其在基因递送载体方面的应用。我们发现降解的星型高分子的基因转染能力要优于不可降解的星型高分子，原因是可降解的星型高分子从溶酶体逃逸后，在细胞质内由于细胞内谷胱甘肽的还原作用，将其中心核降解，使基因可以被有效的释放出来。另外，星型高分子对三种细胞的转染能力排序为HEK293>Hela>Raw264.7。2、RAFT共聚PGMA和2-亚甲基-1，3-二氧烷(MDO)制备一系列可降解的阳离子聚合物并进行基因递送载体的筛选。结果显示，采用较少的溶剂可以提高聚合MDO的比例；伯胺类小分子可以完全将PGMA中的环氧基团开环，反应率可达100%；乙醇胺相较于其它两种胺类小分子，具有最低的毒性和最高的基因转染效率；对于难转染细 Raw264.7，最高转染效率达14%。3、靶向巨噬细胞的糖类修饰的PLGA和PLGA-PEG纳米粒的制备及其用作药物/基因递送载体的研究。本工作制备了一系列能够靶向巨噬细胞，安全高效递送药物以及核酸分子的纳米递药系统的组分、制备方法及其在药物和核酸传递的应用，为多种疾病的预防和治疗提供了一种极具潜力的治疗手段和药物制剂平台，也为研究巨噬细胞在上述各种炎症相关疾病中的作用机制提供一个安全有效的技术方法和工具平台。 4、RAFT聚合制备PEG核交联星型高分子用作眼底成像和药物靶向递送载体的研究。我们合成了低聚合度为10的的PEG为线性臂的核交联星型高分子，并在线性臂的末端修饰了靶向基团和荧光基团，并负载了治疗药物，用于静脉注射小鼠，治疗小鼠眼部疾病。