高分子材料已深度融入现代生活，尤其以塑料为代表的合成高分子在过去百年中极大改变了人类社会。然而，随之而来的全球性塑料污染问题日益严峻，推动可持续高分子材料的研发成为当务之急。
当前主流的可降解塑料通常依赖在聚合物主链中引入“可被切断的化学键”，但这类键往往需在强酸、强碱、高温或腐蚀性环境中才能断裂，带来三大难题：能耗高、产生腐蚀性废液、降解过程难以精确控制。
- 降解所需能量成本高；
- 降解过程产生强腐蚀性废液，处理难度大；
- 降解速率不可控，限制应用场景。
针对上述瓶颈，美国罗格斯大学顾宇炜教授团队提出一种全新策略：仿照自然界生物大分子的自降解机制，在人工高分子中引入“邻位基团”，实现温和条件下的自发、可控降解。
仿生设计：从RNA和蛋白质中汲取灵感
研究团队发现，RNA和蛋白质等生物大分子可通过邻近基团在空间上的精准排布，触发内部化学键的自我断裂。例如，RNA中的磷酸二酯键和蛋白质中的肽键，均因邻近存在特定功能基团而在适宜条件下自然降解。更关键的是，自然界还能通过调节这些基团与化学键之间的距离，精确控制降解速度。
受此启发，团队在合成高分子中预先设计并精准布置类似“邻位基团”。实验结果表明，该策略不仅可使材料在无需外加试剂的情况下自发降解，还可通过调整基团位置，将降解时间从数小时调控至数年，实现分子级别的“程序化降解”。
这一机制可类比为：传统方法如同用力掰断金属杆，耗能且粗放；新策略则像在杆内预置微型切割装置，可在设定条件下自动启动，实现高效、精准断裂。
潜在应用方向明确
尽管目前仍处于概念验证阶段，该仿生自降解机制已在多个领域展现出广阔前景：
可持续包装材料
若应用于日常包装，材料可在丢弃后按预设时间自行降解，避免长期环境污染，显著降低废弃物处理成本。
高性能渔具与农具
高强度渔网、农膜等常被遗弃于自然环境，造成严重塑料污染。现有高强度材料多难降解，而该策略可在保持力学性能的同时实现可控自降解，有效缓解矛盾。论文发表后，已有日本渔具公司和英国农具企业主动接洽合作意向。
精准药物递送系统
在生物医药领域，高分子常用于药物载体。理想情况下，载体应在特定时间、位置释放药物。本研究通过分子设计精确调控降解速率，有望实现“按计划释放”的智能载药系统，提升治疗精准度。
科研历程：跨越三十年的科学传承
顾宇炜博士期间专注于合成高分子，博士后阶段转向生物大分子研究，逐渐形成“向自然学习”的科研理念。2023年1月加入罗格斯大学独立建组后，他提出将生物大分子自降解机制移植到人工体系的设想，并亲自设计三种分子骨架进行验证。
初期实验面临设备不足等困难，但他坚持亲自动手，历时两个月摸索出可行合成路径。随后，硕士生殷绍峥加入课题组，接力推进研究。实验证实，“邻位基团”不仅能触发自降解，还可通过结构调控实现速率编程。
殷绍峥进一步将该策略拓展至原本极难降解的聚双环戊二烯（polydicyclopentadiene），成功实现其可控分解，并开发出数小时内完全降解的超快版本，实现了对自然机制的超越。
为深入理解机理，团队与计算化学专家Lu Wang教授合作，开展密度泛函理论与分子动力学模拟，夯实了理论基础。
审稿过程中，有专家提出：“能否像蛋白质那样通过折叠动态调控降解？”顾宇炜由此受到启发，指导学生利用超分子化学手段调控链折叠结构，成功实现降解速率的动态调节，使人工系统在调控精细度上逼近天然体系。
一次跨越时空的科学接力
在合成关键中间体时，顾宇炜参考了1994年牛津大学John Sutherland教授团队的一篇早期论文，但因原始文献缺乏细节无法复现实验。他尝试联系Sutherland，对方迅速将邮件转给当年实际操作的博士后George Weaver。
Weaver虽已任教多年，仍清晰回忆起反应细节，并详细描述了溶解行为与操作要点。顾宇炜据此当晚即成功复现实验，获得目标分子，成为整个项目的关键起点。
论文发表后，Sutherland回信感慨：自己早年出于兴趣探索RNA起源的工作，竟在三十年后助力解决现代高分子降解难题。他认为，RNA的不稳定性正是其可循环利用的优势，而这项研究正是对生命化学智慧的深刻呼应。
顾宇炜表示：“这段经历让我深刻体会到基础研究的长远价值。许多看似‘无用’的好奇心驱动型研究，可能在未来成为破解重大问题的钥匙。Weaver博士三十年后仍能准确回忆实验细节，也让我感受到科学家对知识的执着，是我们这一代人应继承的品质。”
未来展望：迈向真正可持续的高分子体系
顾宇炜认为，解决塑料污染需分三步走：
- 提出新降解机制并完成概念验证；
- 评估降解产物安全性及可回收性，构建闭环循环；
- 在主流商用高分子中实现该机制，并适配现有工业流程。
当前工作尚处第一阶段。下一步，团队将重点开展两方面研究：一是探索降解产物的再利用，推动材料闭环回收；二是将该机制推广至聚氨酯、聚酰胺等广泛应用的工程塑料中。
同时，团队将继续秉持“大分子仿生”理念，在更多高分子科学难题中寻找来自自然的解决方案。
图 | 前：顾宇炜（罗格斯大学化学系助理教授，本次论文通讯作者）后：殷绍峥（罗格斯大学化学系在读博士生，本次论文第一作者）