高分子材料已深度融入人类生活，以塑料为代表的合成高分子在带来便利的同时，也引发了全球性的塑料污染危机。传统可降解塑料依赖在聚合物主链中引入特定化学键，但这些化学键往往需要强酸、强碱或高温等严苛条件才能断裂，导致降解成本高、过程产生腐蚀性废液且难以精准控制，限制了其应用场景。美国罗格斯大学顾宇炜教授团队另辟蹊径，从自然界生物大分子的自降解机制中汲取灵感，提出了一种在温和条件下实现高分子自降解的创新策略。
自然界中，RNA和蛋白质等生物大分子通过精妙的化学设计实现了高效自降解。研究发现，这些分子在易断裂的化学键附近预先布置了“邻位基团”，并通过精准的空间排布调控降解速率。例如，RNA中的磷酸二酯键和蛋白质中的肽键，正是由于邻位基团的存在，才能在特定条件下实现自我分解。更巧妙的是，生物大分子还能通过折叠结构变化动态调整邻位基团与化学键的距离，从而灵活控制降解速度。
受此启发，研究团队将类似策略引入人工合成高分子材料。他们通过在聚合物结构中精准放置邻位基团，成功开发出无需外加试剂即可自发降解的材料。实验表明，仅需调整邻位基团与可降解键的相对位置，就能将降解周期从数小时延长至数年，实现了对降解速率的分子级调控。这种策略不仅降低了降解所需的技术与能源成本，还为材料设计提供了前所未有的灵活性。
为验证这一仿生策略的普适性，团队将其应用于聚双环戊二烯等传统难降解材料。通过分子设计，原本几乎不可分解的聚双环戊二烯实现了可控自降解，甚至开发出数小时内完全分解的超快速降解材料。进一步与计算化学专家合作，通过密度泛函理论和分子动力学模拟，揭示了自降解的微观机制，为理论优化提供了坚实基础。
该研究的突破性在于首次将生物大分子的自降解机制成功移植到合成高分子体系中。论文投稿后，一位审稿人提出关键问题：能否像生物大分子一样，通过结构变化动态调控降解速率？团队迅速响应，利用超分子化学控制高分子折叠结构，实现了邻位基团位置的动态调整。最终论文不仅展示了静态结构控制，还呈现了动态调控机制，在概念和精妙程度上与自然机制高度接近。
尽管目前仍处于概念验证阶段，但这一策略已展现出广阔的应用前景。在可持续包装领域，分子层面可编程的自降解机制可使包装材料按预设时间自行分解，从源头减少塑料污染；高性能渔具和农具材料方面，该策略既能保持机械强度，又能实现自我降解，解决高强度与难降解的矛盾；生物医学领域，通过精准调控药物载体的降解速率，可实现药物释放曲线的分子设计，为精准医疗提供新工具。目前，已有日本渔具公司和英国农具公司表达合作意向。
研究团队的形成颇具传奇色彩。顾宇炜在博士阶段专注合成高分子研究，博士后阶段转向生物大分子，这段经历让他掌握了多种生物分子的合成与修饰技术，并萌生了向自然学习高分子化学的想法。2023年独立建组后，他带领自费硕士生殷绍峥等成员，在设备不完善的情况下，边搭建实验室边开展研究。他们设计了三种分子骨架，通过两个月摸索确定了基本合成路线，为后续突破奠定基础。
研究过程中，一段跨越时空的学术传承令人动容。为复现1994年英国牛津大学约翰·萨瑟兰教授课题组报道的关键中间体，顾宇炜辗转联系到当年实验的执行者乔治·韦弗博士。尽管三十年过去，韦弗仍清晰记得关键步骤，并详细描述了反应条件。根据他的回忆，团队当天即成功合成目标分子，这成为整个课题的起点。萨瑟兰教授回信表示，这项早期研究能助力当前高分子降解问题，体现了基础科学的深远价值。
