聚多巴胺的結構研究以及潛在應用領域

韓雨健

（安徽理工大學 化學工程學院，安徽淮南 232001）

海洋貽貝類生物可以通過其足絲分泌出一種黏附蛋白，該蛋白在潮濕的環境下可以迅速固化，使其在海浪沖刷中仍能緊緊地附著于礁石或船體的表面[1-2]。多巴胺（DA）是其黏附蛋白的重要組成部分，在有氧弱堿條件下可以發生自聚合形成聚多巴胺（PDA）。PDA 擁有大量胺、亞胺、鄰苯二酚基和羥基等官能團，具有良好的黏附性能。由于DA 中含有鄰苯二酚基團，PDA 能夠與金屬離子形成配位鍵，這些鍵將金屬離子固定在PDA 上，形成金屬-PDA 絡合物（M-PDA）。基于這些優良性質，PDA 被廣泛應用于生物、醫學、材料、環境等領域[3-6]。本論文主要闡述了PDA 的起源與結構及其在涂層、水凝膠等方面的應用，提出了現階段存在的問題，并對PDA 的未來發展進行展望。

1 聚多巴胺的起源

多巴胺單體又名4-(2-乙胺基)苯-1,2-二酚（DA），是人體腦內分泌出的一種能夠幫助細胞傳遞脈沖的化學物質，對阿爾茨海默病[7]及帕金森病[8]有著非常顯著的治療作用。CARLSSON[9]因確定其為腦內信息的傳遞者而獲得了2000 年的諾貝爾醫學獎。海洋無脊椎類生物貽貝可以分泌出具有強黏附性的蛋白質[10]，WAITE 等[11]最先對這種黏附蛋白展開研究，通過先將黏附蛋白水解，再統計分析水解后產生的氨基酸片段發現，其黏附性能與3,4-二羥基-L-苯丙氨酸（DOPA）的含量有著直接關系。而DA 是與DOPA 有著相同分子結構的衍生物[12]，MESSERSMITH 課題組[13]在2007 年首次報道了聚多巴胺（DPA）是DA 在弱堿性環境下自聚合產生的一種物質，對幾乎所有的材料都具有很強的黏附性，同時PDA 繼承了DA 良好的生物相容性，更為重要的是，PDA 表面存在著許多基團，如鄰苯二酚、胺、亞胺、羥基等，這些官能團可以發生邁克爾加成反應、靜電反應、席夫堿反應，使PDA 擁有對材料表面進行功能性修飾的能力。除了在弱堿性環境下DA 自聚合形成PDA 外，溶液聚合法制備PDA[14-15]是目前人們最常用的方法。BALL 等[16]在MESSERSMITH 研究的基礎上，進一步探究了DA 初始濃度及反應溫度與PDA 涂層厚度以及粗糙度的關系，但是DA 氧化聚合的速率和PDA 涂層的粗糙度并未得到改善。直到(NH4)2S2O8和NaIO4這類氧化劑的出現，極大提高了聚合速率，也使得DA 在酸性條件下同樣可以進行自聚合反應。此外，電化學聚合法制備PDA[17]以及乳液聚合法制備PDA[18-19]同樣是經過驗證可行的方法?？傮w來說，PDA 的制備方法具有條件簡單、穩定、綠色等優點，但由于其在氧化還原反應中產生了許多復雜的中間體，其形成機理至今沒有明確。

2 聚多巴胺的結構

在研究PDA 形成機理的最初階段，人們提出一種類似于生物體中黑色素的形成過程[20]。即DA 在弱堿性環境下，首先被氧化成多巴胺醌，多巴胺醌再通過1,4-邁克爾型加成[21]完成其分子內環化，繼而形成無色多巴胺鉻，無色多巴胺鉻繼續氧化形成粉色的多巴胺鉻，此后粉色的多巴胺鉻又繼續通過氧化和重排反應形成不穩定的5,6-二羥基吲哚中間體（DHI），DHI 極易被氧化形成5,6-吲哚醌（IDQ），DHI 與IDQ 繼續發生歧化反應和反向歧化反應，并最終形成一種交聯聚合物，即PDA。但是這種合成機理還缺少足夠的實驗證據來證明。

BIELAWSKI 課題組[22]則認為PDA 是一種單體聚集體，他們通過固態光譜和結晶技術研究分析發現，PDA 主要是通過強的非共價作用（氫鍵、電荷轉移、π-π 堆積等）堆疊交聯而成，其結構與超分子聚合物相似。LIEBSCHER 等[23]認為PDA 是由DA、5,6-二羥基吲哚啉（LDAC）及二酮衍生物通過共價作用聚合形成的雜聚體。HONG 等[24]則認為PDA 是非共價自組裝與化學共價聚合共同作用下的產物。他們通過高效液相色譜（HPLC）和質譜分析定位了大量沒有聚合的多巴胺后發現，DA 及其氧化產物DHI 不僅發生了上述的非共價鍵的自組裝，同時在共價鍵作用下也發生了氧化聚合。聚合物將自組裝的三聚體緊緊包裹住，形成棕黑色的PDA 沉淀，其他學者也提出了相似的模型[25-26]。VECCHIA 等[27]通過固態13C-NMR、15N-NMR、紫外可見分光光度法等進一步提出共價聚合主要發生在反應前期，非共價作用主要發生在反應后期，即DA、DHI 等通過共價聚合形成高級低聚物后再通過非共價作用交聯形成PDA。總而言之，DA 初步氧化形成了多巴胺醌，是目前學者都公認的反應，關于PDA 結構的討論還有很多[28-29]，這些都還需要加以研究和證明。

3 聚多巴胺在涂層方面的應用

PDA 表面有大量活性官能團，有利于進行二次反應，還可以對Ag+、Fe3+、Cu2+等金屬離子進行吸附[30]。近些年，關于PDA 在涂層材料上的應用有著大量報道[31-32]，這些都表明了PDA 在材料表面的功能性修飾上具有獨特的優勢。

PDA 可以通過共價和非共價作用力（氫鍵、電荷轉移、π-π 堆積等）黏附在材料的表面。例如，對于金屬或金屬氧化物，PDA 中的兒茶酚結構可以與金屬離子發生螯合作用，在螯合作用和非共價作用下，PDA 可以黏附在金屬及金屬氧化物的表面，對其起到很好的保護作用[33]。丁玉康等[34]將PDA 黏附在氮化硼（BN）的表面，在BN 表面引入了大量羥基和氨基等活性管能團，引入的-OH 與硅烷溶液中的-SiOH以及金屬表面的-OH 形成穩定的化學鍵，解決了BN與硅烷溶液相容性差的問題，顯著提高了BN 的耐腐蝕性能。ZHANG 等[35]通過電沉積和浸鍍相結合的方法，在鎂合金的表面生成了氮摻雜碳點（N-CDs）和PDA 復合涂層，經過研究發現，顆粒的尺寸越大，N-CDs 涂層的耐腐蝕性越好，且N-CDs/PDA 復合涂層擁有很好自愈能力，還可以明顯改善鎂合金的耐腐蝕性能。

對于含-NH2/-SH 的有機材料，多巴胺內的酚羥基可以與其發生邁克爾加成和席夫堿反應形成共價鍵，使PDA 涂層黏附在有機材料表面，從而改善有機材料的親水性。MA 等[36]將多巴胺直接溶解在聚偏氟乙烯（PVDF）溶液中，在緩沖溶液的作用下，PDA在原纖維膜表面發生自聚合制成了PVDF/PDA 原纖維膜，通過研究PVDF/PDA 膜對亞甲藍（MB）和Cu2+的吸附發現，PVDF/PDA 原纖維膜不僅具有很好的吸附能力，在吸附MB 后還表現出了良好的再生能力。在研究PVDF/PDA 原纖維膜對油/水的分離中發現，膜的最大通水量可以達到729.3 L/（m2·h），這表明PDA 涂層的存在使膜的分離能力得到顯著提高。

4 聚多巴胺在水凝膠方面的應用

水凝膠（Hydrogels）是一種高分子聚合物，其具有三維網狀的空間結構，擁有良好的生物相容性和親水性[37]。利用PDA 改性水凝膠不僅可以解決水凝膠在潮濕環境下低黏附性的現象，還能提高水凝膠的強度、彈性和光熱轉換率等，在生物醫學、組織工程、材料科學等領域有著極大的應用前景。

XU 等[38]通過PDA 與Cu-CS 陶瓷顆粒相互作用生成PDA/Cu 絡合物，制備了PDA/Cu-CS 復合水凝膠，后通過對照檢測其對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）及大腸桿菌（Escherichia coli）的活性發現，PDA/Cu-CS 復合水凝膠具有一種特殊的“熱離子效應”，不僅可以利用光熱效應加熱Cu 離子達到快速有效抑制細菌生長的目的，還可以促進傷口的愈合和血管恢復，這為有效治療耐藥感染性傷口提供了一種可行的方法。WU等[39]將PDA涂在具有近紅外光（NIR）激發的上轉換納米顆粒（UCNPs）NaGdF4:Yb3+、Er3+@NaGdF4上，以羧甲基殼聚糖（CMCS）作為交聯劑，將UCNPs@PDA 及氧化海藻酸鈉（OSA）通過動態席夫堿反應化學交聯生成了復合水凝膠OSA-ICMCS-I-UCNPs@PDA（“I”表示連接），研究發現，這種水凝膠具有很好的生物相容性、滲透性及自愈合功能。通過監測復合水凝膠在溶菌酶環境下的熒光強度變化過程發現，熒光強度的降低和復合水凝膠重量的減少程度保持一致，這表明，經過PDA 改性后的UCNPs 作為NIR 激發熒光探針可以用來動態監測水凝膠的降解過程，為將來準確預測體內的降解行為，避免過度進行動物研究提供了可能。XIAO 等[40]將PDA 層作為人工固體電解質膜（SEI），構建了一種多層還原氧化石墨烯（rGO）/Fe3O4@PDA 水凝膠作為陽極材料應用在鋰電子電池（LIBs）上。PDA 層可以抑制副反應下引起的SEI 重復增厚現象，并且緩沖Fe3O4納米顆粒（Fe3O4NPs）的粉碎，控制鋰化/脫鋰過程中的體積變化，這種復合水凝膠作為陽極材料具有容量高、良好的循環穩定性、快速的充電/放電速率和優異的速率性能。郭雨寧等[41]將羧甲基瓊脂糖（CMA）與PDA 相結合構成了CMA-PDA 水凝膠，通過流變儀和質構儀表征復合水凝膠的流變性質和質構性質發現，水凝膠的粘彈性、硬度和黏膠強度在加入PDA 后得到改善。此外，通過研究復合水凝膠在不同pH 條件下釋放阿霉素（DOX）的情況發現，這種復合水凝膠具有pH 響應性，在pH=2.0 的環境下釋放的速度最快，對DOX 具有很好的緩釋能力，基于以上性能，它可以作為生物活性物質遞送載體得到廣泛應用。

綜上所述，生物醫學材料是PDA 改性的水凝膠應用的一個極為重要也是應用最廣泛的領域，未來在其他領域的應用潛力還有待繼續發掘。

5 展望

聚多巴胺具有獨特的結構，表面擁有許多活性官能團，同時幾乎可以黏附在任何材料的表面，表面的活性官能團能夠賦予材料親水性、生物相容性。隨著藥物傳遞、靶向藥物治療、納米技術的發展，具有良好生物相容性的多巴胺具有非常廣泛的應用前景。聚多巴胺碳化后可以產生具有高電導率的薄膜，在熱電材料領域具有很好的應用前景，但目前關于這方面的研究還很少。除此以外，目前關于聚多巴胺的研究和應用存在以下等待解決驗證的問題：（1）聚多巴胺的聚合機理及吸附機理仍是急需解決的問題之一；（2）聚多巴胺的生產成本較高，限制了其大規模應用，需要深入探索降低生產成本的方法；（3）聚多巴胺的生物相容性基本都是在體外驗證，在體內的生物相容性有待進一步研究。