Los químicos del MIT han ideado una forma de sintetizar polímeros que pueden descomponerse más fácilmente en el cuerpo y en el medio ambiente.

Una reacción química llamada polimerización por metátesis por apertura de anillo, o ROMP, es útil para construir polímeros novedosos para diversos usos, como la nanofabricación, resinas de alto rendimiento, y suministro de fármacos o agentes de formación de imágenes. Sin embargo, Una desventaja de este método de síntesis es que los polímeros resultantes no se descomponen naturalmente en ambientes naturales, como dentro del cuerpo.

El equipo de investigación del MIT ha ideado una forma de hacer que esos polímeros sean más degradables al agregar un nuevo tipo de bloque de construcción a la columna vertebral del polímero. Este nuevo bloque de construcción, o monómero, forma enlaces químicos que pueden romperse con ácidos débiles, bases, e iones como fluoruro.

"Creemos que esta es la primera forma general de producir polímeros ROMP con fácil degradabilidad en condiciones biológicamente relevantes, "dice Jeremiah Johnson, profesor asociado de química en el MIT y autor principal del estudio. "Lo bueno es que funciona con el flujo de trabajo estándar de ROMP; solo necesita rociar el nuevo monómero, haciéndolo muy conveniente ".

Este bloque de construcción podría incorporarse a polímeros para una amplia variedad de usos, incluyendo no solo aplicaciones médicas sino también síntesis de polímeros industriales que se degradarían más rápidamente después de su uso, dicen los investigadores.

El autor principal del artículo, que aparece en Química de la naturaleza hoy dia, es el postdoctorado del MIT Peyton Shieh. Postdoc Hung VanThanh Nguyen también es autor del estudio.

Potente polimerización

Los bloques de construcción más comunes de los polímeros generados por ROMP son moléculas llamadas norbornenos, que contienen una estructura de anillo que se puede abrir fácilmente y unir para formar polímeros. Se pueden añadir moléculas como fármacos o agentes de formación de imágenes a los norbornenos antes de que se produzca la polimerización.

El laboratorio de Johnson ha utilizado este enfoque de síntesis para crear polímeros con muchas estructuras diferentes, incluyendo polímeros lineales, polímeros de cepillo de botella, y polímeros en forma de estrella. Estos nuevos materiales podrían usarse para administrar muchos medicamentos contra el cáncer a la vez, o llevar agentes de formación de imágenes para la formación de imágenes por resonancia magnética (IRM) y otros tipos de formación de imágenes.

"Es una reacción de polimerización muy robusta y poderosa, "Dice Johnson." Pero una de las grandes desventajas es que la columna vertebral de los polímeros producidos consiste enteramente en enlaces carbono-carbono, y como un resultado, los polímeros no son fácilmente degradables. Eso siempre ha sido algo que hemos mantenido en el fondo de nuestras mentes cuando pensamos en hacer polímeros para el espacio de los biomateriales ".

Para evitar ese problema, El laboratorio de Johnson se ha centrado en desarrollar pequeños polímeros, del orden de unos 10 nanómetros de diámetro, que podrían eliminarse del cuerpo más fácilmente que las partículas más grandes. Otros químicos han intentado degradar los polímeros mediante el uso de componentes básicos distintos de los norbornenos, pero estos componentes básicos no se polimerizan con tanta eficacia. También es más difícil unirles fármacos u otras moléculas, ya menudo requieren condiciones duras para degradarse.

"Preferimos seguir usando norborneno como la molécula que nos permite polimerizar estos monómeros complejos, Johnson dice. "El sueño ha sido identificar otro tipo de monómero y agregarlo como comonómero en una polimerización que ya usa norborneno".

Los investigadores encontraron una posible solución a través del trabajo que Shieh estaba haciendo en otro proyecto. Estaba buscando nuevas formas de desencadenar la liberación de fármacos a partir de polímeros, cuando sintetizó una molécula que contiene un anillo que es similar al norborneno pero que contiene un enlace oxígeno-silicio-oxígeno. Los investigadores descubrieron que este tipo de anillo, llamado éter silílico, también se puede abrir y polimerizar con la reacción ROMP, dando lugar a polímeros con enlaces oxígeno-silicio-oxígeno que se degradan más fácilmente. Por lo tanto, en lugar de usarlo para la liberación de medicamentos, los investigadores decidieron intentar incorporarlo a la estructura del polímero para hacerlo degradable.

Descubrieron que simplemente agregando el monómero de silil-éter en una proporción de 1:1 con monómeros de norborneno, podrían crear estructuras poliméricas similares a las que habían hecho anteriormente, con el nuevo monómero incorporado de manera bastante uniforme en toda la columna vertebral. Pero ahora, cuando se expone a un pH ligeramente ácido, alrededor de 6,5, la cadena de polímero comienza a romperse.

"Es bastante simple, Johnson dice. Es un monómero que podemos agregar a los polímeros ampliamente utilizados para hacerlos degradables. Pero tan simple como eso es, los ejemplos de tal enfoque son sorprendentemente raros ".

Desglose más rápido

En pruebas en ratones, los investigadores encontraron que durante la primera o segunda semana, los polímeros degradables mostraron la misma distribución a través del cuerpo que los polímeros originales, pero comenzaron a derrumbarse poco después. Después de seis semanas, las concentraciones de los nuevos polímeros en el cuerpo eran entre tres y diez veces menores que las concentraciones de los polímeros originales, dependiendo de la composición química exacta de los monómeros de silil-éter que utilizaron los investigadores.

Los hallazgos sugieren que agregar este monómero a los polímeros para la administración de fármacos o la obtención de imágenes podría ayudarlos a eliminarse del cuerpo más rápidamente.

"Estamos entusiasmados con la posibilidad de utilizar esta tecnología para ajustar con precisión la descomposición de polímeros basados ​​en ROMP en tejidos biológicos". que creemos que podría aprovecharse para controlar la biodistribución, cinética de liberación de fármacos, y muchas otras funciones, "Dice Johnson.

Los investigadores también han comenzado a trabajar en la adición de nuevos monómeros a las resinas industriales, como plásticos o adhesivos. Creen que sería económicamente viable incorporar estos monómeros en los procesos de fabricación de polímeros industriales, para hacerlos más degradables, y están trabajando con Millipore-Sigma para comercializar esta familia de monómeros y ponerlos a disposición para la investigación.