高分子材料在日常生活中无处不在。可以毫不夸张地说，以塑料为代表的高分子材料在过去短短一百年的发展里，已经全方位地改变了人类社会。但随之而来的，是日益严峻的全球性塑料污染问题。

在近些年社会与学术界共同聚焦可持续高分子材料的背景下，美国罗格斯大学教授顾宇炜团队注意到：目前最常见的可降解塑料策略是往聚合物主链中引入“可被切断的化学键”。然而，这些化学键往往只能在较为严苛的条件下（如强酸、强碱、高温，甚至具有强腐蚀性的降解环境）才会断裂。这带来了三个主要问题：

降解所需的能量成本高；降解过程会产生强腐蚀性废液，处理成本大；降解过程难以精确控制，限制了材料的应用场景。

研究团队的工作正是针对这些瓶颈，尝试从化学设计层面提出一种全新的解决方案：开发能够在温和条件下实现自降解的高分子材料。

其希望，这类材料能够显著降低高分子降解所需的技术与能源成本，同时也能通过分子结构设计来精准调控降解速率，使其与不同塑料产品的预期寿命相匹配，从根本上提高可降解材料的可用性与可设计性。

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

与其说研究团队研发出了一种新的可降解高分子材料，不如说为这一领域提供了一种全新的、具有启发性的分子设计思路，可供学术界和产业界参考。

为了寻找能够让高分子在温和条件下实现自降解的新策略，研究团队把目光投向自然界。事实上，自降解机制在许多生物大分子中广泛存在，尤其是RNA 和蛋白质。从某种意义上来说，这是自然界为解决自身“高分子材料”——生物大分子的可持续性问题而演化出的巧妙方案。

通过分析这些生物大分子的自降解机制，研究团队发现自然界采用了一种简单却非常有效的化学策略：在易被切断的化学键附近，预先布置能够在分子内部触发化学键断裂的“邻位基团”，并在空间结构上进行极为精准的排布。例如，RNA 分子中的磷酸二酯键、蛋白中的肽键，都因附近存在特定的邻位基团而能够在适当条件下实现自我降解。更巧妙的是，自然界甚至可以通过调控这些邻位基团与可降解键之间的空间距离，来精准调控降解速率。

受到这一启发，研究团队尝试将类似的策略引入人工合成的高分子材料中。在本研究中，研究团队在聚合物结构中提前、精准地放置类似的邻位基团，结果发现这种仿生设计在人工高分子中同样有效。研究团队得到的材料不仅可以在无需额外试剂的情况下自发降解，而且只需调整邻位基团与可降解化学键之间的相对位置，就能精准调控降解速率——从数小时、数天，到数月甚至数年，都可以通过分子设计来实现。

如果做一个不那么严谨但更易理解的类比：假设每一个塑料分子是一根纳米尺度的金属杆。传统可降解聚合物的思路，类似于通过施加外力把金属杆硬掰断，过程费力、成本高，也不够精细。

而研究团队的策略就像是在金属杆上预先布置了许多微型内置切割工具，这些工具无需外界帮助，便能在适当条件下自动把金属杆切断，实现降解。更重要的是，化学家能够精准调控这些内置工具与金属杆的距离，从而控制切割发生的速度。

如果从底层逻辑来看，本次研究是一项典型的仿生工作。严格来说，利用精准放置的邻位基团来控制高分子自降解这一首创，其实在几亿年前就已经被自然界率先完成了。RNA、蛋白质等生物大分子的降解机制本质上就是在利用这一策略。

在这一前提下，研究团队的工作可以说是首次将这种简单而高效的仿生机制成功引入到人工合成高分子体系中，从而实现了在温和条件下、无需外加试剂即可自降解的高分子材料。这也是研究团队认为本研究最具创新性的突破所在。

这项工作本质上仍属于概念验证（proof of concept），研究团队在论文中展示的材料距离直接应用显然还有相当的距离。但研究团队认为，这一仿生的高分子自降解机制在多个方向都具有明确的潜在应用价值。

首先，是开发可用于包装的商用高分子材料。如果将这种分子层面可编程的自降解机制应用于日常包装材料，那么即使包装被随意丢弃，它们也会按照预先设定的分子结构自行降解，不会长期累积在环境中。这不仅能显著降低废弃物处理成本，也能从源头上减少塑料污染。

第二，开发高性能且可自然降解的渔具和农具材料。许多渔具、农具的关键部件都依赖高分子材料，并且因应用需求对力学强度要求很高。另一方面，由于使用场景的特殊性，这类材料常直接丢弃在自然环境中，造成大量塑料垃圾积累。现有策略中，高强度材料往往更难降解，形成明显矛盾。而研究团队的策略是在分子内部预置切割工具，既能保持材料的机械强度，又能实现自我降解，非常契合这一需求。研究团队的论文发表后，已经有一家日本的渔具公司和一家英国的农具公司主动联系研究团队，表达了对这一策略的兴趣。

第三，是用于构建可程序化降解的药物递送体系。在生物医学领域，高分子材料常用作药物载体。理想的载体材料需要在药物需要发挥作用的位置和时间点精准降解，从而控制药物释放速率。然而，目前能实现“按预设时间表降解”的高分子材料非常有限。

而研究团队的策略恰好能够解决这一痛点：通过在聚合物链中精准放置邻位基团，研究团队可以以分子设计的方式精确调控材料的自降解速率。这意味着药物载体的降解与药物释放曲线可以在设计之初就被写入材料结构之中，这是许多现有载体材料所无法实现的特性。

总的来说，尽管目前仍处于概念验证阶段，但这一仿生自降解策略有望在可持续包装、渔农用品以及精准药物递送等领域提供面向实际应用的全新解决思路。

据了解，顾宇炜的博士研究主要围绕合成高分子材料展开。在博士阶段即将结束时，顾宇炜开始对生物大分子产生强烈兴趣：明明都是高分子，为什么生物大分子在复杂度和功能性上远远超越合成高分子？带着这个疑问，顾宇炜在博士后阶段加入了一个以 DNA 与蛋白质为基础开发生物大分子材料的团队，希望从自然界的策略中寻找答案。那段经历让顾宇炜掌握了多种生物大分子的合成与修饰技术，也逐渐萌生了向自然学习高分子化学的想法。

2023 年 1 月，顾宇炜加入罗格斯大学化学系，开始独立建组。结合自身的科研兴趣以及博士、博士后阶段积累的技能，顾宇炜将课题组的研究方向定位为：在高分子尺度上进行仿生研究（macromolecular biomimicry），向自然界汲取化学灵感。与许多刚起步的年轻课题组一样，研究团队最初也面临人手不足、设备尚不完善等现实困难。

但正是在这样的阶段，顾宇炜萌发了一个新想法：能否借鉴自然界生物大分子的自降解机制，并将其移植到人工合成的高分子材料中？

基于这个想法，顾宇炜设计了三个不同的分子骨架，希望在合成的高分子链上精准引入不同排布的“邻位基团”，以探索它们是否能够像自然界一样触发分子内部的自降解。那段时间，顾宇炜边搭建实验室边自己做实验，在设备不完善的情况下摸索了两个月，终于确定了这些分子的基本合成路线，为后续工作打下了基础。

本次相关论文的第一作者殷绍峥同学在加入课题组时还是一名自费硕士生，本科毕业于天津大学化工系，对高分子研究很有兴趣。他主动找到顾宇炜，希望能参与课题组的科研工作。于是，顾宇炜将前期得到的一些初步结果交由他继续推进。

很快研究团队就发现，正如最初的设想一样，这些“邻位基团”不仅能够触发高分子的自降解，而且通过改变分子骨架来调整它们的位置，还能精准调控降解速率。

随后，殷绍峥将这一概念成功拓展到一种典型却难以降解的材料——聚双环戊二烯（polydicyclopentadiene）中。在他的工作下，这种原本几乎不可降解的材料实现了可控的自降解。更进一步，研究团队在仿生基础上超越自然，设计出了降解速度快到几小时内就能完全分解的超快速自降解材料。

在取得材料性质上的突破后，研究团队开始对其分子层面的降解机理产生兴趣。研究团队与计算化学专家Lu Wang 教授合作，她的团队帮助顾宇炜等人进行了详尽的密度泛函理论模拟和分子动力学模拟。这些计算结果极大加深了研究团队对自降解化学细节的理解，使整个研究的理论基础更加坚实。

在投稿过程中，大部分审稿人都对研究团队的工作给予肯定。但其中一位审稿人提出非常有价值的问题：“自然界的生物大分子不仅能自降解，还能通过折叠结构变化动态调控降解速率。你们的方法能否实现类似的调控？”

这是一个极其重要的点。生物大分子（如蛋白质）的折叠结构可以改变邻位基团与化学键之间的距离，从而动态调节自降解速度——这是一种自然界非常高明的化学策略。

顾宇炜花了几天时间思考，意识到：或许可以利用超分子化学来控制合成高分子的折叠结构，从而动态调整邻位基团的位置。顾宇炜把这一设想告诉了殷绍峥同学，他用了大约半年的时间，在实验中成功实现了这一点。

在最终提交的论文版本中，研究团队不仅展示了通过分子骨架实现的静态结构控制，还展示了通过链折叠进行的动态调控机制。可以说，研究团队在合成高分子中实现的降解调控策略，已经在概念和精妙程度上与自然界的生物大分子自降解机制非常接近了。

图 | 前：顾宇炜，后：殷绍峥

作为顾宇炜独立建组后的第一个主要课题，这项研究的整个探索过程承载了太多难忘的回忆。除了实验和设计上的不断尝试，顾宇炜想分享一个自己至今仍觉得非常有趣、也非常有意义的小故事。

2023 年 4 月，顾宇炜基于对 RNA 自降解机制的理解，设计了几个分子骨架，并推测由这些分子衍生出的合成高分子应当具备自降解特性。设计完成后，下一步便是寻找合成这些分子的实验路线。

在查阅文献时，顾宇炜注意到1994 年英国牛津大学教授约翰·萨瑟兰（John Sutherland）课题组发表的一篇论文中，曾报道过一个与研究团队设计高度相关的关键中间体。然而，那个年代的论文往往非常简略，缺乏详细的实验步骤。尽管顾宇炜尝试了多次，仍无法在自己的实验室重现他们当年的合成。

Sutherland 教授过去 30 年一直致力于研究 RNA 的前生物（prebiotic）起源，试图从化学层面回答：在只有简单无机物的原始地球上，如此复杂的 RNA 分子是如何诞生的。这篇 1994 年的论文是他独立科研早期的一篇并不显眼的论文，只是为了合成一些结构上与 RNA 相似的小分子。

如今，Sutherland 已成为前生物化学领域最重要的学者之一，顾宇炜也猜想他可能早已不记得当年工作中的细节。

但抱着试一试的心态，顾宇炜还是给他发了封邮件，询问是否还能找到当年的实验记录，或是否能提供一些细节。原本没抱期待，却在几小时后就收到了Sutherland 教授的回复。他说自己已经不记得具体实验内容，但已经把顾宇炜的邮件转发给了 30 年前真正做这个实验的执行者——乔治·韦弗（George Weaver）博士。

Weaver 博士是 Sutherland 教授独立建组后招的第一位博士后，如今是英国拉夫堡大学的一名讲师。又过了几个小时，顾宇炜便收到了 Weaver 博士的邮件。他写道：虽然当年的实验记录已经找不到了，但他仍然记得关键步骤，并详细描述了反应条件和后处理方法。他还特别强调了一个细节：其中一个反应物一开始在溶剂中不溶，但在加入碱后就会逐渐溶解。他最后还十分谦虚地表示：毕竟过了三十年，记忆可能有限，很抱歉不能提供更多帮助。

收到这封邮件后，顾宇炜当晚便按照他回忆的步骤在实验室做了实验。反应现象果然与他描述的一模一样。第二天，研究团队就顺利得到了目标分子，而这也成为整个课题真正的起点。

论文发表之后，顾宇炜特意写信向Sutherland 教授和 Weaver 博士表达感谢。Sutherland 教授回信说，他完全没想到自己早年基于兴趣研究 RNA 化学起源的一项小工作，居然在三十年后帮助解决了顾宇炜团队今天面对的高分子降解问题。他还提到，在前生物化学领域，许多学者都曾好奇：自然界为何选择结构相对不稳定的 RNA 作为生命基元？他认为一个重要原因是 RNA 的自降解机制能让宝贵的核苷酸单体被循环利用，而这对资源极其匮乏的原始地球来说是一种重要优势。从这个角度看，他认为研究团队的工作是对生命化学深入理解之上的一次有趣而自然的仿生。

这段经历对顾宇炜而言非常难忘。Sutherland 教授如今早已因其在前生物化学领域的卓越贡献而享誉世界，而科学却在此刻让顾宇炜与三十年前的他——两个在不同时间节点刚开始独立科研生涯的助理教授——产生了跨越时空的“精神联系”。

这让顾宇炜再次深刻体会到基础科学的真正价值：许多由纯粹好奇心驱动的研究，或许在当下看似不起眼，却可能在未来某个完全意想不到的场景中，成为解决另一类重大问题的关键一环。同时，Weaver 博士在三十年后依然能够清晰回忆起当年的实验细节。“这一点也令我深受触动。真正的科学家对知识的热忱与投入，不会随着时间而褪色，而这正是我们这一代科研工作者最应该学习的品质。”顾宇炜表示。

开发可降解高分子材料无疑是当下非常重要的研究方向，毕竟研究团队的环境很可能已经无法再承受未来几十年继续累积的塑料垃圾。从整体上看，顾宇炜认为任何可行的解决方案都需要经历三个阶段：

第一步，是提出一种新的化学降解机制，并在某一类模型高分子上完成概念验证。这一步证明了机制可行性，但距离实际应用还很遥远。

第二步，是研究降解后的产物是否安全、是否具有环境友好性，以及是否能够进一步回收利用，从而实现闭环循环。这一点对真正可持续的材料体系至关重要。

第三步，则是在广泛使用的商用高分子体系中实现这种降解机制，并思考如何在尽可能不影响现有工业生产流程的前提下，将这一策略落地到大规模材料生产中。

从这个角度来说，研究团队目前的工作还停留在第一步，未来仍有很长的路要走。

目前，顾宇炜实验室正在开展两方面的后续研究：

一方面，研究团队正在探索自降解产物是否可以被重复利用，从而实现材料的闭环回收；

另一方面，研究团队希望将这一仿生降解机制拓展到更广泛使用的高分子体系，尤其是聚氨酯、聚酰胺等在工业和日常生活中应用极为广泛的材料。

此外，研究团队也计划进一步探索这一机制在药物递送体系中的潜力。

与此同时，该实验室始终坚持向自然学习高分子化学的理念，也正在其他重要的高分子科学问题上寻找大分子仿生的解决方案。

参考资料：

相关论文https://www.nature.com/articles/s41557-025-02007-3