Les chimistes du MIT ont mis au point un moyen de synthétiser des polymères qui peuvent se décomposer plus facilement dans le corps et dans l'environnement.

Une réaction chimique appelée polymérisation par métathèse par ouverture de cycle, ou ROMP, est pratique pour construire de nouveaux polymères pour diverses utilisations telles que la nanofabrication, résines hautes performances, et l'administration de médicaments ou d'agents d'imagerie. Cependant, un inconvénient de cette méthode de synthèse est que les polymères résultants ne se décomposent pas naturellement dans les environnements naturels, comme à l'intérieur du corps.

L'équipe de recherche du MIT a trouvé un moyen de rendre ces polymères plus dégradables en ajoutant un nouveau type de bloc de construction à l'épine dorsale du polymère. Ce nouveau bloc de construction, ou monomère, forme des liaisons chimiques qui peuvent être rompues par les acides faibles, socles, et des ions tels que le fluorure.

"Nous pensons qu'il s'agit du premier moyen général de produire des polymères ROMP facilement dégradables dans des conditions biologiquement pertinentes, " dit Jérémie Johnson, professeur agrégé de chimie au MIT et auteur principal de l'étude. "Ce qui est bien, c'est que cela fonctionne avec le flux de travail ROMP standard ; il vous suffit de saupoudrer le nouveau monomère, ce qui le rend très pratique."

Ce bloc de construction pourrait être incorporé dans des polymères pour une grande variété d'utilisations, incluant non seulement les applications médicales mais aussi la synthèse de polymères industriels qui se décomposeraient plus rapidement après usage, disent les chercheurs.

L'auteur principal de l'article, qui apparaît dans Chimie de la nature aujourd'hui, est le postdoctorant du MIT Peyton Shieh. Le postdoctorant Hung VanThanh Nguyen est également auteur de l'étude.

Polymérisation puissante

Les éléments constitutifs les plus courants des polymères générés par ROMP sont des molécules appelées norbornènes, qui contiennent une structure annulaire qui peut être facilement ouverte et enfilée pour former des polymères. Des molécules telles que des médicaments ou des agents d'imagerie peuvent être ajoutées aux norbornènes avant que la polymérisation ne se produise.

Le laboratoire de Johnson a utilisé cette approche de synthèse pour créer des polymères avec de nombreuses structures différentes, y compris les polymères linéaires, polymères de goupillon, et les polymères en forme d'étoile. Ces nouveaux matériaux pourraient être utilisés pour administrer de nombreux médicaments anticancéreux à la fois, ou transportant des agents d'imagerie pour l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et d'autres types d'imagerie.

"C'est une réaction de polymérisation très robuste et puissante, ", dit Johnson. "Mais l'un des gros inconvénients est que le squelette des polymères produits est entièrement constitué de liaisons carbone-carbone, et comme résultat, les polymères ne sont pas facilement dégradables. Cela a toujours été quelque chose que nous avons gardé à l'esprit lorsque nous pensons à fabriquer des polymères pour l'espace des biomatériaux. »

Pour contourner ce problème, Le laboratoire de Johnson s'est concentré sur le développement de petits polymères, de l'ordre d'une dizaine de nanomètres de diamètre, qui pourraient être éliminées du corps plus facilement que les particules plus grosses. D'autres chimistes ont essayé de rendre les polymères dégradables en utilisant des briques élémentaires autres que les norbornènes, mais ces blocs de construction ne polymérisent pas aussi efficacement. Il est également plus difficile d'y attacher des médicaments ou d'autres molécules, et ils nécessitent souvent des conditions difficiles pour se dégrader.

« Nous préférons continuer à utiliser le norbornène comme molécule qui nous permet de polymériser ces monomères complexes, ", dit Johnson. "Le rêve a été d'identifier un autre type de monomère et de l'ajouter en tant que co-monomère dans une polymérisation qui utilise déjà le norbornène."

Les chercheurs ont trouvé une solution possible grâce au travail que Shieh effectuait sur un autre projet. Il cherchait de nouvelles façons de déclencher la libération de médicaments à partir de polymères, quand il a synthétisé une molécule contenant un cycle qui est similaire au norbornène mais contient une liaison oxygène-silicium-oxygène. Les chercheurs ont découvert que ce genre de bague, appelé éther silylique, peut également être ouvert et polymérisé avec la réaction ROMP, conduisant à des polymères avec des liaisons oxygène-silicium-oxygène qui se dégradent plus facilement. Ainsi, au lieu de l'utiliser pour la libération de médicaments, les chercheurs ont décidé d'essayer de l'incorporer dans le squelette polymère pour le rendre dégradable.

Ils ont découvert qu'en ajoutant simplement le monomère de silyle éther dans un rapport 1:1 avec des monomères de norbornène, ils pourraient créer des structures polymères similaires à ce qu'ils ont fait auparavant, avec le nouveau monomère incorporé assez uniformément dans tout le squelette. Mais maintenant, lorsqu'il est exposé à un pH légèrement acide, environ 6,5, la chaîne polymère commence à se briser.

"C'est assez simple, " dit Johnson. " C'est un monomère que nous pouvons ajouter aux polymères largement utilisés pour les rendre dégradables. Mais aussi simple que cela soit, les exemples d'une telle approche sont étonnamment rares.

Rupture plus rapide

Dans des tests sur des souris, les chercheurs ont découvert qu'au cours de la première ou des deux premières semaines, les polymères dégradables ont montré la même distribution à travers le corps que les polymères d'origine, mais ils ont commencé à s'effondrer peu de temps après. Au bout de six semaines, les concentrations des nouveaux polymères dans l'organisme étaient entre trois et 10 fois inférieures aux concentrations des polymères d'origine, en fonction de la composition chimique exacte des monomères silyléther que les chercheurs ont utilisés.

Les résultats suggèrent que l'ajout de ce monomère aux polymères pour l'administration de médicaments ou l'imagerie pourrait les aider à être éliminés du corps plus rapidement.

« Nous sommes enthousiasmés par la perspective d'utiliser cette technologie pour régler avec précision la dégradation des polymères à base de ROMP dans les tissus biologiques, qui, selon nous, pourraient être exploités pour contrôler la biodistribution, cinétique de libération du médicament, et bien d'autres fonctionnalités, " dit Johnson.

Les chercheurs ont également commencé à travailler sur l'ajout de nouveaux monomères aux résines industrielles, comme les plastiques ou les adhésifs. Ils pensent qu'il serait économiquement faisable d'incorporer ces monomères dans les procédés de fabrication de polymères industriels, pour les rendre plus dégradables, et ils travaillent avec Millipore-Sigma pour commercialiser cette famille de monomères et les rendre disponibles pour la recherche.