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Force-controlled release of small molecules with a rotaxane actuator

轮烷 机械化学 执行机构 聚合物 机械敏感通道 分子 小分子 离解(化学) 控制释放 纳米技术 化学 材料科学 计算机科学 离子通道 有机化学 人工智能 超分子化学 受体 生物化学
作者
Lei Chen,Robert Nixon,Guillaume De Bo
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:628 (8007): 320-325 被引量:90
标识
DOI:10.1038/s41586-024-07154-0
摘要

Abstract Force-controlled release of small molecules offers great promise for the delivery of drugs and the release of healing or reporting agents in a medical or materials context 1–3 . In polymer mechanochemistry, polymers are used as actuators to stretch mechanosensitive molecules (mechanophores) 4 . This technique has enabled the release of molecular cargo by rearrangement, as a direct 5,6 or indirect 7–10 consequence of bond scission in a mechanophore, or by dissociation of cage 11 , supramolecular 12 or metal complexes 13,14 , and even by ‘flex activation’ 15,16 . However, the systems described so far are limited in the diversity and/or quantity of the molecules released per stretching event 1,2 . This is due to the difficulty in iteratively activating scissile mechanophores, as the actuating polymers will dissociate after the first activation. Physical encapsulation strategies can be used to deliver a larger cargo load, but these are often subject to non-specific (that is, non-mechanical) release 3 . Here we show that a rotaxane (an interlocked molecule in which a macrocycle is trapped on a stoppered axle) acts as an efficient actuator to trigger the release of cargo molecules appended to its axle. The release of up to five cargo molecules per rotaxane actuator was demonstrated in solution, by ultrasonication, and in bulk, by compression, achieving a release efficiency of up to 71% and 30%, respectively, which places this rotaxane device among the most efficient release systems achieved so far 1 . We also demonstrate the release of three representative functional molecules (a drug, a fluorescent tag and an organocatalyst), and we anticipate that a large variety of cargo molecules could be released with this device. This rotaxane actuator provides a versatile platform for various force-controlled release applications.
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