高分子材料在日常生活中無處不在?？梢院敛豢鋸埖卣f，以塑料為代表的高分子材料在過去短短一百年的發(fā)展里，已經(jīng)全方位地改變了人類社會。但隨之而來的，是日益嚴(yán)峻的全球性塑料污染問題。

在近些年社會與學(xué)術(shù)界共同聚焦可持續(xù)高分子材料的背景下，美國羅格斯大學(xué)教授顧宇煒團(tuán)隊注意到：目前最常見的可降解塑料策略是往聚合物主鏈中引入“可被切斷的化學(xué)鍵”。然而，這些化學(xué)鍵往往只能在較為嚴(yán)苛的條件下（如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫，甚至具有強(qiáng)腐蝕性的降解環(huán)境）才會斷裂。這帶來了三個主要問題：

• 降解所需的能量成本高；
• 降解過程會產(chǎn)生強(qiáng)腐蝕性廢液，處理成本大；
• 降解過程難以精確控制，限制了材料的應(yīng)用場景。

研究團(tuán)隊的工作正是針對這些瓶頸，嘗試從化學(xué)設(shè)計層面提出一種全新的解決方案：開發(fā)能夠在溫和條件下實現(xiàn)自降解的高分子材料。

其希望，這類材料能夠顯著降低高分子降解所需的技術(shù)與能源成本，同時也能通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計來精準(zhǔn)調(diào)控降解速率，使其與不同塑料產(chǎn)品的預(yù)期壽命相匹配，從根本上提高可降解材料的可用性與可設(shè)計性。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41557-025-02007-3）

與其說研究團(tuán)隊研發(fā)出了一種新的可降解高分子材料，不如說為這一領(lǐng)域提供了一種全新的、具有啟發(fā)性的分子設(shè)計思路，可供學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界參考。

為了尋找能夠讓高分子在溫和條件下實現(xiàn)自降解的新策略，研究團(tuán)隊把目光投向自然界。事實上，自降解機(jī)制在許多生物大分子中廣泛存在，尤其是RNA 和蛋白質(zhì)。從某種意義上來說，這是自然界為解決自身“高分子材料”——生物大分子的可持續(xù)性問題而演化出的巧妙方案。

通過分析這些生物大分子的自降解機(jī)制，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)自然界采用了一種簡單卻非常有效的化學(xué)策略：在易被切斷的化學(xué)鍵附近，預(yù)先布置能夠在分子內(nèi)部觸發(fā)化學(xué)鍵斷裂的“鄰位基團(tuán)”，并在空間結(jié)構(gòu)上進(jìn)行極為精準(zhǔn)的排布。例如，RNA 分子中的磷酸二酯鍵、蛋白中的肽鍵，都因附近存在特定的鄰位基團(tuán)而能夠在適當(dāng)條件下實現(xiàn)自我降解。更巧妙的是，自然界甚至可以通過調(diào)控這些鄰位基團(tuán)與可降解鍵之間的空間距離，來精準(zhǔn)調(diào)控降解速率。

受到這一啟發(fā)，研究團(tuán)隊嘗試將類似的策略引入人工合成的高分子材料中。在本研究中，研究團(tuán)隊在聚合物結(jié)構(gòu)中提前、精準(zhǔn)地放置類似的鄰位基團(tuán)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種仿生設(shè)計在人工高分子中同樣有效。研究團(tuán)隊得到的材料不僅可以在無需額外試劑的情況下自發(fā)降解，而且只需調(diào)整鄰位基團(tuán)與可降解化學(xué)鍵之間的相對位置，就能精準(zhǔn)調(diào)控降解速率——從數(shù)小時、數(shù)天，到數(shù)月甚至數(shù)年，都可以通過分子設(shè)計來實現(xiàn)。

如果做一個不那么嚴(yán)謹(jǐn)?shù)桌斫獾念惐龋杭僭O(shè)每一個塑料分子是一根納米尺度的金屬桿。傳統(tǒng)可降解聚合物的思路，類似于通過施加外力把金屬桿硬掰斷，過程費力、成本高，也不夠精細(xì)。

而研究團(tuán)隊的策略就像是在金屬桿上預(yù)先布置了許多微型內(nèi)置切割工具，這些工具無需外界幫助，便能在適當(dāng)條件下自動把金屬桿切斷，實現(xiàn)降解。更重要的是，化學(xué)家能夠精準(zhǔn)調(diào)控這些內(nèi)置工具與金屬桿的距離，從而控制切割發(fā)生的速度。

如果從底層邏輯來看，本次研究是一項典型的仿生工作。嚴(yán)格來說，利用精準(zhǔn)放置的鄰位基團(tuán)來控制高分子自降解這一首創(chuàng)，其實在幾億年前就已經(jīng)被自然界率先完成了。RNA、蛋白質(zhì)等生物大分子的降解機(jī)制本質(zhì)上就是在利用這一策略。

在這一前提下，研究團(tuán)隊的工作可以說是首次將這種簡單而高效的仿生機(jī)制成功引入到人工合成高分子體系中，從而實現(xiàn)了在溫和條件下、無需外加試劑即可自降解的高分子材料。這也是研究團(tuán)隊認(rèn)為本研究最具創(chuàng)新性的突破所在。

這項工作本質(zhì)上仍屬于概念驗證（proof of concept），研究團(tuán)隊在論文中展示的材料距離直接應(yīng)用顯然還有相當(dāng)?shù)木嚯x。但研究團(tuán)隊認(rèn)為，這一仿生的高分子自降解機(jī)制在多個方向都具有明確的潛在應(yīng)用價值。

首先，是開發(fā)可用于包裝的商用高分子材料。如果將這種分子層面可編程的自降解機(jī)制應(yīng)用于日常包裝材料，那么即使包裝被隨意丟棄，它們也會按照預(yù)先設(shè)定的分子結(jié)構(gòu)自行降解，不會長期累積在環(huán)境中。這不僅能顯著降低廢棄物處理成本，也能從源頭上減少塑料污染。

第二，開發(fā)高性能且可自然降解的漁具和農(nóng)具材料。許多漁具、農(nóng)具的關(guān)鍵部件都依賴高分子材料，并且因應(yīng)用需求對力學(xué)強(qiáng)度要求很高。另一方面，由于使用場景的特殊性，這類材料常直接丟棄在自然環(huán)境中，造成大量塑料垃圾積累。現(xiàn)有策略中，高強(qiáng)度材料往往更難降解，形成明顯矛盾。而研究團(tuán)隊的策略是在分子內(nèi)部預(yù)置切割工具，既能保持材料的機(jī)械強(qiáng)度，又能實現(xiàn)自我降解，非常契合這一需求。研究團(tuán)隊的論文發(fā)表后，已經(jīng)有一家日本的漁具公司和一家英國的農(nóng)具公司主動聯(lián)系研究團(tuán)隊，表達(dá)了對這一策略的興趣。

第三，是用于構(gòu)建可程序化降解的藥物遞送體系。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，高分子材料常用作藥物載體。理想的載體材料需要在藥物需要發(fā)揮作用的位置和時間點精準(zhǔn)降解，從而控制藥物釋放速率。然而，目前能實現(xiàn)“按預(yù)設(shè)時間表降解”的高分子材料非常有限。

而研究團(tuán)隊的策略恰好能夠解決這一痛點：通過在聚合物鏈中精準(zhǔn)放置鄰位基團(tuán)，研究團(tuán)隊可以以分子設(shè)計的方式精確調(diào)控材料的自降解速率。這意味著藥物載體的降解與藥物釋放曲線可以在設(shè)計之初就被寫入材料結(jié)構(gòu)之中，這是許多現(xiàn)有載體材料所無法實現(xiàn)的特性。

總的來說，盡管目前仍處于概念驗證階段，但這一仿生自降解策略有望在可持續(xù)包裝、漁農(nóng)用品以及精準(zhǔn)藥物遞送等領(lǐng)域提供面向?qū)嶋H應(yīng)用的全新解決思路。

據(jù)了解，顧宇煒的博士研究主要圍繞合成高分子材料展開。在博士階段即將結(jié)束時，顧宇煒開始對生物大分子產(chǎn)生強(qiáng)烈興趣：明明都是高分子，為什么生物大分子在復(fù)雜度和功能性上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越合成高分子？帶著這個疑問，顧宇煒在博士后階段加入了一個以 DNA 與蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)開發(fā)生物大分子材料的團(tuán)隊，希望從自然界的策略中尋找答案。那段經(jīng)歷讓顧宇煒掌握了多種生物大分子的合成與修飾技術(shù)，也逐漸萌生了向自然學(xué)習(xí)高分子化學(xué)的想法。

2023 年 1 月，顧宇煒加入羅格斯大學(xué)化學(xué)系，開始獨立建組。結(jié)合自身的科研興趣以及博士、博士后階段積累的技能，顧宇煒將課題組的研究方向定位為：在高分子尺度上進(jìn)行仿生研究（macromolecular biomimicry），向自然界汲取化學(xué)靈感。與許多剛起步的年輕課題組一樣，研究團(tuán)隊最初也面臨人手不足、設(shè)備尚不完善等現(xiàn)實困難。

但正是在這樣的階段，顧宇煒萌發(fā)了一個新想法：能否借鑒自然界生物大分子的自降解機(jī)制，并將其移植到人工合成的高分子材料中？

基于這個想法，顧宇煒設(shè)計了三個不同的分子骨架，希望在合成的高分子鏈上精準(zhǔn)引入不同排布的“鄰位基團(tuán)”，以探索它們是否能夠像自然界一樣觸發(fā)分子內(nèi)部的自降解。那段時間，顧宇煒邊搭建實驗室邊自己做實驗，在設(shè)備不完善的情況下摸索了兩個月，終于確定了這些分子的基本合成路線，為后續(xù)工作打下了基礎(chǔ)。

本次相關(guān)論文的第一作者殷紹崢同學(xué)在加入課題組時還是一名自費碩士生，本科畢業(yè)于天津大學(xué)化工系，對高分子研究很有興趣。他主動找到顧宇煒，希望能參與課題組的科研工作。于是，顧宇煒將前期得到的一些初步結(jié)果交由他繼續(xù)推進(jìn)。

很快研究團(tuán)隊就發(fā)現(xiàn)，正如最初的設(shè)想一樣，這些“鄰位基團(tuán)”不僅能夠觸發(fā)高分子的自降解，而且通過改變分子骨架來調(diào)整它們的位置，還能精準(zhǔn)調(diào)控降解速率。

隨后，殷紹崢將這一概念成功拓展到一種典型卻難以降解的材料——聚雙環(huán)戊二烯（polydicyclopentadiene）中。在他的工作下，這種原本幾乎不可降解的材料實現(xiàn)了可控的自降解。更進(jìn)一步，研究團(tuán)隊在仿生基礎(chǔ)上超越自然，設(shè)計出了降解速度快到幾小時內(nèi)就能完全分解的超快速自降解材料。

在取得材料性質(zhì)上的突破后，研究團(tuán)隊開始對其分子層面的降解機(jī)理產(chǎn)生興趣。研究團(tuán)隊與計算化學(xué)專家Lu Wang 教授合作，她的團(tuán)隊幫助顧宇煒等人進(jìn)行了詳盡的密度泛函理論模擬和分子動力學(xué)模擬。這些計算結(jié)果極大加深了研究團(tuán)隊對自降解化學(xué)細(xì)節(jié)的理解，使整個研究的理論基礎(chǔ)更加堅實。

在投稿過程中，大部分審稿人都對研究團(tuán)隊的工作給予肯定。但其中一位審稿人提出非常有價值的問題：“自然界的生物大分子不僅能自降解，還能通過折疊結(jié)構(gòu)變化動態(tài)調(diào)控降解速率。你們的方法能否實現(xiàn)類似的調(diào)控？”

這是一個極其重要的點。生物大分子（如蛋白質(zhì)）的折疊結(jié)構(gòu)可以改變鄰位基團(tuán)與化學(xué)鍵之間的距離，從而動態(tài)調(diào)節(jié)自降解速度——這是一種自然界非常高明的化學(xué)策略。

顧宇煒花了幾天時間思考，意識到：或許可以利用超分子化學(xué)來控制合成高分子的折疊結(jié)構(gòu)，從而動態(tài)調(diào)整鄰位基團(tuán)的位置。顧宇煒把這一設(shè)想告訴了殷紹崢同學(xué)，他用了大約半年的時間，在實驗中成功實現(xiàn)了這一點。

在最終提交的論文版本中，研究團(tuán)隊不僅展示了通過分子骨架實現(xiàn)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)控制，還展示了通過鏈折疊進(jìn)行的動態(tài)調(diào)控機(jī)制?？梢哉f，研究團(tuán)隊在合成高分子中實現(xiàn)的降解調(diào)控策略，已經(jīng)在概念和精妙程度上與自然界的生物大分子自降解機(jī)制非常接近了。

圖 | 前：顧宇煒，后：殷紹崢

作為顧宇煒獨立建組后的第一個主要課題，這項研究的整個探索過程承載了太多難忘的回憶。除了實驗和設(shè)計上的不斷嘗試，顧宇煒想分享一個自己至今仍覺得非常有趣、也非常有意義的小故事。

2023 年 4 月，顧宇煒基于對 RNA 自降解機(jī)制的理解，設(shè)計了幾個分子骨架，并推測由這些分子衍生出的合成高分子應(yīng)當(dāng)具備自降解特性。設(shè)計完成后，下一步便是尋找合成這些分子的實驗路線。

在查閱文獻(xiàn)時，顧宇煒注意到1994 年英國牛津大學(xué)教授約翰·薩瑟蘭（John Sutherland）課題組發(fā)表的一篇論文中，曾報道過一個與研究團(tuán)隊設(shè)計高度相關(guān)的關(guān)鍵中間體。然而，那個年代的論文往往非常簡略，缺乏詳細(xì)的實驗步驟。盡管顧宇煒嘗試了多次，仍無法在自己的實驗室重現(xiàn)他們當(dāng)年的合成。

Sutherland 教授過去 30 年一直致力于研究 RNA 的前生物（prebiotic）起源，試圖從化學(xué)層面回答：在只有簡單無機(jī)物的原始地球上，如此復(fù)雜的 RNA 分子是如何誕生的。這篇 1994 年的論文是他獨立科研早期的一篇并不顯眼的論文，只是為了合成一些結(jié)構(gòu)上與 RNA 相似的小分子。

如今，Sutherland 已成為前生物化學(xué)領(lǐng)域最重要的學(xué)者之一，顧宇煒也猜想他可能早已不記得當(dāng)年工作中的細(xì)節(jié)。

但抱著試一試的心態(tài)，顧宇煒還是給他發(fā)了封郵件，詢問是否還能找到當(dāng)年的實驗記錄，或是否能提供一些細(xì)節(jié)。原本沒抱期待，卻在幾小時后就收到了Sutherland 教授的回復(fù)。他說自己已經(jīng)不記得具體實驗內(nèi)容，但已經(jīng)把顧宇煒的郵件轉(zhuǎn)發(fā)給了 30 年前真正做這個實驗的執(zhí)行者——喬治·韋弗（George Weaver）博士。

Weaver 博士是 Sutherland 教授獨立建組后招的第一位博士后，如今是英國拉夫堡大學(xué)的一名講師。又過了幾個小時，顧宇煒便收到了 Weaver 博士的郵件。他寫道：雖然當(dāng)年的實驗記錄已經(jīng)找不到了，但他仍然記得關(guān)鍵步驟，并詳細(xì)描述了反應(yīng)條件和后處理方法。他還特別強(qiáng)調(diào)了一個細(xì)節(jié)：其中一個反應(yīng)物一開始在溶劑中不溶，但在加入堿后就會逐漸溶解。他最后還十分謙虛地表示：畢竟過了三十年，記憶可能有限，很抱歉不能提供更多幫助。

收到這封郵件后，顧宇煒當(dāng)晚便按照他回憶的步驟在實驗室做了實驗。反應(yīng)現(xiàn)象果然與他描述的一模一樣。第二天，研究團(tuán)隊就順利得到了目標(biāo)分子，而這也成為整個課題真正的起點。

論文發(fā)表之后，顧宇煒特意寫信向Sutherland 教授和 Weaver 博士表達(dá)感謝。Sutherland 教授回信說，他完全沒想到自己早年基于興趣研究 RNA 化學(xué)起源的一項小工作，居然在三十年后幫助解決了顧宇煒團(tuán)隊今天面對的高分子降解問題。他還提到，在前生物化學(xué)領(lǐng)域，許多學(xué)者都曾好奇：自然界為何選擇結(jié)構(gòu)相對不穩(wěn)定的 RNA 作為生命基元？他認(rèn)為一個重要原因是 RNA 的自降解機(jī)制能讓寶貴的核苷酸單體被循環(huán)利用，而這對資源極其匱乏的原始地球來說是一種重要優(yōu)勢。從這個角度看，他認(rèn)為研究團(tuán)隊的工作是對生命化學(xué)深入理解之上的一次有趣而自然的仿生。

這段經(jīng)歷對顧宇煒而言非常難忘。Sutherland 教授如今早已因其在前生物化學(xué)領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)而享譽世界，而科學(xué)卻在此刻讓顧宇煒與三十年前的他——兩個在不同時間節(jié)點剛開始獨立科研生涯的助理教授——產(chǎn)生了跨越時空的“精神聯(lián)系”。

這讓顧宇煒再次深刻體會到基礎(chǔ)科學(xué)的真正價值：許多由純粹好奇心驅(qū)動的研究，或許在當(dāng)下看似不起眼，卻可能在未來某個完全意想不到的場景中，成為解決另一類重大問題的關(guān)鍵一環(huán)。同時，Weaver 博士在三十年后依然能夠清晰回憶起當(dāng)年的實驗細(xì)節(jié)?！斑@一點也令我深受觸動。真正的科學(xué)家對知識的熱忱與投入，不會隨著時間而褪色，而這正是我們這一代科研工作者最應(yīng)該學(xué)習(xí)的品質(zhì)?！鳖櫽顭槺硎尽?/p>

開發(fā)可降解高分子材料無疑是當(dāng)下非常重要的研究方向，畢竟研究團(tuán)隊的環(huán)境很可能已經(jīng)無法再承受未來幾十年繼續(xù)累積的塑料垃圾。從整體上看，顧宇煒認(rèn)為任何可行的解決方案都需要經(jīng)歷三個階段：

第一步，是提出一種新的化學(xué)降解機(jī)制，并在某一類模型高分子上完成概念驗證。這一步證明了機(jī)制可行性，但距離實際應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)。

第二步，是研究降解后的產(chǎn)物是否安全、是否具有環(huán)境友好性，以及是否能夠進(jìn)一步回收利用，從而實現(xiàn)閉環(huán)循環(huán)。這一點對真正可持續(xù)的材料體系至關(guān)重要。

第三步，則是在廣泛使用的商用高分子體系中實現(xiàn)這種降解機(jī)制，并思考如何在盡可能不影響現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)流程的前提下，將這一策略落地到大規(guī)模材料生產(chǎn)中。

從這個角度來說，研究團(tuán)隊目前的工作還停留在第一步，未來仍有很長的路要走。

目前，顧宇煒實驗室正在開展兩方面的后續(xù)研究：

一方面，研究團(tuán)隊正在探索自降解產(chǎn)物是否可以被重復(fù)利用，從而實現(xiàn)材料的閉環(huán)回收；

另一方面，研究團(tuán)隊希望將這一仿生降解機(jī)制拓展到更廣泛使用的高分子體系，尤其是聚氨酯、聚酰胺等在工業(yè)和日常生活中應(yīng)用極為廣泛的材料。

此外，研究團(tuán)隊也計劃進(jìn)一步探索這一機(jī)制在藥物遞送體系中的潛力。

與此同時，該實驗室始終堅持向自然學(xué)習(xí)高分子化學(xué)的理念，也正在其他重要的高分子科學(xué)問題上尋找大分子仿生的解決方案。

參考資料：

相關(guān)論文https://www.nature.com/articles/s41557-025-02007-3