背景介绍
生物相容性聚合物广泛用于组织工程和生物医学领域。但是，很少有生物材料适合作为长期植入物来使用，而且这些材料性能调控范围有限。众所周知，聚合物的立构化学决定了材料的性能，但是人们在聚合物合成中很少关注材料的立体结构。
聚酰胺作为一种生物材料已经应用了数十年，具有韧性好、低成本和出色的生物相容性，被广泛用作缝合线、膜、血管和人工关节材料。但是其加工性和功能化比较困难，极大的限制了其应用。
成果介绍
基于以上分析，杜克大学Matthew L. Becker和伯明翰大学的Andrew P. Dove教授课题组利用二丙醇酰胺和二硫醇之间的亲核硫醇-炔烃反应合成了一种立构可控的聚酰胺材料，通过改变单体组成、溶剂和催化剂，聚合物的玻璃化温度（Tg）可以在64~107℃之间变化，在共聚单体中加入醚链段后材料断裂伸长率提高了13倍。这种材料具有优异的形状记忆效应，在120℃下16 s后就能恢复初始形状，有望在微创医学领域有广泛应用。
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立构可控聚酰胺的合成
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图1. 立体可控聚酰胺的表征。（a）二丙醇酰胺（C3A）和二硫醇（C6T）之间的逐步加聚反应合成不饱和聚酰胺（C3A-C6T）；（b）C3A-C6T（73％顺式含量）的1H NMR光谱（DMSO-d6，25℃，400 MHz）；（c）不同立构化学的聚酰胺SEC谱图（DMF，0.5％w/w NH4BF4），以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为标准物测定。
利用亲核试剂和活化炔烃之间的亲核迈克尔加成反应，研究者以二丙醇酰胺（C3A）、二硫醇（C6T）和1 mol％1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳七烯（DBU）为单体，以DMSO为溶剂制备出立体可控的聚酰胺材料，其聚合物主链上含有酰胺和不饱和基团，以控制聚合物的立体结构。通过1H NMR发现聚合物含有73％的顺式结构，通过尺寸排阻色谱发现不同立构结构的聚合物分子量在104.6~131.4 kg/mol之间。研究者发现改变溶剂或者碱催化剂的极性就可以调节聚合物的立构化学，加入10％的1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷（DABCO）后，可以制备出分子量大于100 kg/mol的聚酰胺；向DMSO / DBU混合物中加入甲醇就能增加顺式链段的含量；向DMSO中加入氯仿，用DABCO代替DBU就能降低聚合物中的顺式含量。图2. 硫醇共聚单体对材料热机械性能的影响。（a）在10 mm·min-1、22℃下测试材料的应力-应变曲线；（b）在10℃·min-1条件下测试材料在第二个加热周期的DSC谱图。为了进一步调控聚酰胺材料的热机械性能，研究者将其它硫醇作为共聚单体与C3A进行聚合，以研究硫醇对聚合物热机械性能的影响。发现随着硫醇中碳原子数的增加（C3，C6，C8和C10），聚合物Tg下降。随着碳原子数的增加，材料的断裂伸长率提高了13倍：C3A-C3T中εbreak=24±3％，而C3A-C10T中εbreak=313±19％。在重复单元中掺入了醚基团后得到的C3A-CDEGT聚合物具有最低的Tg、最高的断裂伸长率（εbreak=318±70％）、最高的模量（Ε= 1623±77 MPa）和屈服应力（78.1±2.4 MPa）。图3. 聚酰胺的热机械性能。（a）在0-280℃、10℃·min-1条件下C3A-C6T、尼龙6和尼龙66第一个加热循环的DSC谱图；（b）不同顺式含量的C3A-C6T热机械性能柱状图；（c）C3A-C6T和尼龙6的物理外观和可注塑性；（d）在10mm·min-1和不同温度条件下C3A-C6T（Tg=98℃）应力-应变曲线；（e）在10 mm·min-1和不同温度条件下，尼龙6和尼龙66（Tgs<105℃）的应力-应变曲线；（f）高顺式和高反式C3A-C6T的DMA谱图。研究者对制备的立构可控聚酰胺热机械性能进行了研究。采用DSC对聚合物玻璃化温度进行了考察，发现材料表现出较宽的Tg，说明材料为非晶结构。随着材料中顺式含量的增加，聚合物Tg明显增加，如P4（35％顺式）比P1（82％顺式）的Tg低14℃；而且随着顺式含量的提高，材料模量也显著增加，杨氏模量从35％顺式的1052±74 MPa增加到82％顺式的1278±42 MPa。研究者对比了立构可控聚酰胺与最常用的尼龙6和66性能的差异，发现在高顺式含量聚合物中，随着温度接近其Tg，在拉伸实验中观察到了明显的弹性特征，而尼龙6和66则表现出热塑性行为。立构可控聚酰胺和尼龙6以及66在环境温度下机械性能相当，但是立构可控聚酰胺通过改变立构规整性就能很容易的调节材料热机械性能。图4. 可控立构聚酰胺的形状记忆性能。（a）加热到120℃后C3A-C6T的形状记忆性能；（b）高顺式和低顺式C3A-C6T形状记忆行为的DMA分析。形状记忆材料在微创手术中可以减少材料的用量，虽然形状记忆合金已经有广泛应用，但是其长期生物相容性仍存在问题。具有形状记忆功能的聚合物材料如果具有良好的生物相容性和可调控的机械性能，在微创医学领域将有广泛应用。研究者发现制备的立构可控聚酰胺都具有形状记忆效应，这是由于聚合物链缠结、熵自由能以及酰胺基团之间大量氢键共同作用的结果。高顺式含量的聚合物在接近Tg时形状恢复时间更短，仅需16 s，这是由于高顺式样品中聚合物链堆积得不太整齐造成的。经过十个循环后，材料的形状记忆性能有所下降，但这对于微创医学应用来说不是大问题。图5.立构可控聚酰胺的细胞生物学和体内研究。（a）聚酰胺材料的细胞相容性测定，使用PLLA上的7天细胞增殖数据进行统计分析（P <0.05）；（b）C3A-C6T和PLLA植入样品的组织学分析。研究者对制备的聚酰胺进行了生物相容性研究。他们在聚酰胺和聚L-丙交酯（PLLA）上，以10％胎牛血清为细胞培养基，进行了小鼠成骨细胞（MC3T3-E1）的培养，培育1、3和7天后，使用PrestoBlue代谢测定法分析细胞的增殖。7天后，每个样品上的细胞数量都显著增加，统计分析发现，与PLLA相比，高顺式C3A-C6T有更好的生物相容性。随后研究者又进行了鼠皮下植入研究，使用苏木精和曙红染色（H＆E染色）检测纤维囊肉芽肿的形成和炎性细胞的存在，发现与最常用的PLLA材料相比，高顺式聚酰胺材料具有优秀的生物相容性和有生物稳定性，8周后皮下纤维囊小于200 µm，且未钙化，这表明这些材料的植入未导致严重的炎症反应。传统的植入材料在长期生物相容性方面存在问题，杜克大学Matthew L.Becker和伯明翰大学的Andrew P. Dove教授课题组利用亲核试剂和活化炔烃之间的亲核迈克尔加成反应，以C3A和C6T为单体制备出立体可控的聚酰胺材料，通过控制顺式链段的含量，可以在很大程度上调节聚酰胺的热机械性能。随着材料中顺式含量的增加，聚合物Tg明显增加，P4（35％顺式）比P1（82％顺式）的Tg低14℃，杨氏模量从35％顺式的1052±74 MPa增加到82％顺式的1278±42 MPa。随着硫醇中碳原子数的增加，材料的断裂伸长率提高了13倍，在主链中加入醚基团后，C3A-CDEGT聚合物具有最低的Tg、最高的断裂伸长率（εbreak=318±70％）、最大的模量（Ε= 1623±77 MPa）和屈服应力（78.1±2.4 MPa）。制备的聚酰胺材料具有优异的形状记忆效应，高顺式含量的聚合物在接近Tg时仅需16 s就能恢复初始形状。这种材料还表现出与PLLA类似的生物相容性，8周后小鼠皮下纤维囊小于200 µm，未导致严重的炎症反应。https://www.nature.com/articles/s41467-020-16945-8![]()
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