聚天冬氨酸的合成及應用研究進展

＊王鵬宇 劉源鑫 邱典 范少龍 張藝仙*

（1.紹興文理學院 浙江 312000 2.浙江新賽科藥業有限公司 浙江 312000）

聚天冬氨酸（PASP）是聚氨基酸的一種，因為其結構主鏈上的肽鍵容易被微生物破壞，所以PASP具有可完全生物降解的特性。由于側鏈基團是酰胺鍵，還可以通過引入各種烷基作為共酯或酰胺將天冬氨酸進行改性，從而可以改變聚合物的特性將親水變為疏水，中性變為離子等得到不同特性的聚合物和共聚衍生物。通過改性技術對PASP進行改性后，官能團更加多樣，應用范圍也更加廣泛，如降解材料和農業等方面[1]。除此之外，由于聚天冬氨酸對鈣離子具有良好的螯合能力，且無毒，可以生物降解，可以作為許多礦物鹽的防垢劑，改性后也可以用作防止金屬被腐蝕。在生物醫用方面，PASP以其良好的生物降解性、生物相容性，在醫藥、美容等方面也有廣泛的應用。

本文從PASP及其衍生物的合成出發，對近年來國內外研究者關于PASP應用研究成果進行了詳細介紹，并且對PASP改性研究做出了展望。

1.聚天冬氨酸及其衍生物的合成方法

工業上合成聚天冬氨酸是通過在堿性條件下水解中間產物聚琥珀酰亞胺得到的[2-3]。根據所用原料的不同，合成方法主要分為天門冬氨酸法和馬來酸酐法。

（1）天門冬氨酸法。天門冬氨酸通過兩步機理熱縮聚得到聚琥珀酰亞胺，合成過程如圖1所示。第一步：兩個天門冬氨酸分別提供氨基和羧基，兩者脫水縮合成為酰胺鍵。第二步：酰胺鍵上的亞氨基與提供羧基分子的另一羧基脫水形成琥珀酰亞胺環[4]。聚琥珀酰亞胺在堿性條件下水解成為天冬氨酸鹽，隨后經過洗滌中和、純化后得到聚天冬氨酸。

圖1 天門冬氨酸法制聚天冬氨酸[4]

（2）馬來酸酐法。馬來酸酐法主要以馬來酸酐和氨供體為原料生產PASP[5]，包括馬來酸在內的二元羧酸類試劑也能夠作為原料，氨供體主要為氨水、氨氣以及部分熱解產生氨的物質。馬來酸和尿素在磷酸催化下制備聚天冬氨酸的反應為三步，如圖2所示。第一步：馬來酸和尿素通過開環反應生成銨鹽；第二步：馬來酸銨鹽在磷酸催化下生成聚琥珀酰亞胺；第三步：聚琥珀酰亞胺通過在堿性條件下水解生成PASP。

圖2 馬來酸酐法制聚天冬氨酸[5]

（3）改性聚天冬氨酸阻垢劑的合成。為了拓展聚天冬氨酸的使用范圍，增強聚天冬氨酸的阻垢能力，以聚琥珀酰亞胺為原料，氮氨酸為改性試劑，制備改性聚天冬氨酸阻垢劑[6]。將反應物在一定溫度下油浴，控制pH反應一段時間后得到淡紅棕色溶液。精制洗滌數次，將所得產物放置在40℃真空干燥箱中干燥即得最終產物聚天冬氨酸的接枝共聚物。

（4）改性聚天冬氨酸緩蝕劑的合成。聚天冬氨酸具有良好的緩蝕作用，但是其所含基團的單一，導致它的緩蝕性能相對較弱，為了克服聚天冬氨酸的結構缺點，通過將氨基酸的功能基團通過接枝作用接到天冬氨酸分子的側鏈上得到接枝聚合物[7]。以通過馬來酸酐法制成的天冬氨酸和L-賴氨酸為原料，用少量去離子水溶解后反應，最終干燥后可以得到聚天冬氨酸的接枝共聚物。

2.PASP的應用領域

（1）PASP用于阻垢劑。水是人類生存和發展的重要基礎，然而由于水垢的存在，水的質量受到了影響，不僅如此，每年因水垢而造成的損失更是不計其數。因此合成出阻垢性能優異，且綠色環保的阻垢劑十分重要。而PASP憑借其高效的阻垢率和綠色無污染的性質被廣泛應用在制備各種阻垢劑上。

穩定與環保是阻垢劑不可或缺的兩大性質。徐娜等[8]以馬來酸酐和NH3·H2O為起始原料，采用微波法合成聚琥珀酰亞胺，最后水解聚琥珀酰亞胺生成PASP。結果表明其阻垢率高達94%，該阻垢劑有效克服了含磷類和聚丙烯酸聚合物類阻垢劑會導致海水富營養化等環境污染問題。

程玉山等[9]對PASP、苯并三氮唑（BTA）、鎢酸鈉和葡糖酸鈉進行四元復合，結果顯示，在最佳配比下，其對HSN-70A銅的腐蝕率僅為0.0006mm/a，遠小于GB 50050—2007《工業循環冷卻水處理設計規范》所要求的腐蝕率應＜0.005mm/a的標準，且阻垢率高達99.22%。

（2）PASP用于緩蝕劑。緩蝕劑能夠延緩或阻止金屬在腐蝕介質（如水、酸、堿等）中發生化學反應而被破壞。PASP分子能夠吸附在金屬表面，并形成一層保護膜，大大提升緩蝕效果。因此，各種基于PASP改性的緩蝕劑也應運而生。

王曉慧等[10]開發出了同時具備低成本和高緩蝕率兩種特性的PASP/HA緩蝕劑。結果表明，該緩蝕劑相比于其他聚合物緩蝕劑，PASP/HA化合物僅在150mg/L的質量濃度下的緩蝕率就達到了90%以上，在擁有優秀的緩蝕性能的同時節約了成本。

姜亞玲等[11]以4-(氨甲基)吡啶為原料對PASP進行改性處理，研究出的最佳配比的阻垢率為87.99%，緩蝕率高達98.12%。與PASP相比，其阻垢率和緩蝕率均有大幅度提升。改性后的PASP阻垢劑的極性基團能夠有效的吸附在金屬表面，并形成一層保護膜，極大提升了金屬離子化的活化能。蓋潔超等[12]制備了一種可用于煤層氣井的酸洗緩蝕劑。該團隊將PASP與烏洛托品、葡萄糖酸鈉、尿素進行復配同時加入鐵離子協助穩定，在最佳配比下緩蝕效率高達91.74%。

（3）PASP在醫療方面的應用。由于PASP及其衍生物具有良好的生物相容性、易降解、易引入側鏈等優點而被廣泛應用于藥物載體、人體組織修復等醫療方面。

①藥物載體。沈潔等[13]合成了一種名為PEEC（聚天冬氨酸-3,3-二氨基二丙胺-N,N-二甲基亞二丙基三胺-烷基胺）的新型藥物載體，并且研究了不同側鏈接枝率所形成的載體的載藥性能，結果表明在48h后載藥膠束的釋放率可達90%，證明該聚合物能夠有效釋放和運載DTX，是一種性能優異的藥物載體。

Sattar等[14]采用石墨烯納米片交聯聚天冬氨酸作為一級網絡，并以聚丙烯酰胺-共聚乙烯醇為二級網絡，制備出一種高效的水凝膠。該水凝膠具有優異的物理性質和生物相容性，石墨烯納米片交聯結構可有效提高水凝膠的穩定性和力學強度，而聚丙烯酰胺-共聚乙烯醇網絡能增強水凝膠的吸水性和水解性，使其在生物醫學領域有廣泛的應用前景。

②在醫療方面的其他應用。Marasini等[15]利用一罐多元醇法制備出平均粒徑為2.0nm的聚天冬氨酸（PASP）涂附超細Gd2O3納米顆粒。該納米顆粒在3.0TMR場下表現出水-質子縱向和橫向自旋松弛度分別為19.1s-1·mM-1和53.7s-1·mM-1，分別比商用GD-螯合造影劑高出約5倍和10倍。

PASP在協助傷口愈合方面也有一定的作用。Yang等[16]聚天冬酰肼（PAHY）與聚天冬氨酸（PASP）為原料合成了一種能夠修復復雜輪廓皮膚損傷的可注射自生物降解聚天冬氨酸水凝膠。通過在大鼠體內實驗證實，該水凝膠具有優秀的傷口愈合能力。

（4）PASP在農業方面的應用。農業是人類生存和發展的基石之一，它不僅可以滿足人類對于食物等生活必需品的需求，還能為環境保護、經濟增長和社會穩定做出巨大貢獻。近年來，科學家們發現PASP具有能夠增強植物光合作用、提高植物抗逆性等一系列優點，并合成了許多能夠有效提高作物產量的化學試劑。

科學家們發現一定量的PASP能夠使多種農作物增加產量。曹本福等[17]研究了施加聚天冬氨酸對烤煙生長、產量以及礦質養分吸收的影響。實驗結果表明，其中當減少肥料為20%時聚天冬氨酸使用量以5%最佳。郭景麗等[18]對不同添加量的PASP對于玉米發芽的影響做了試驗，研究結果表明一定量的PASP能夠對玉米產量起到促進作用，當PASP添加質量分數為0.3%～0.5%時，效果最好。

（5）PASP在傳感器方面的應用。聚天冬氨是一種具有高度導電性和生物相容性的聚合物，因此可以作為電化學生物傳感器的電極材料。通過將聚天冬氨修飾于電極表面，可以提高傳感器的靈敏度和選擇性，從而檢測生物分子如蛋白質、酶和DNA等。

楊志云等[19]以L-冬天酸胺為原料制備出了MPASPPAA/Fe3+水凝膠。當該水凝膠應用在柔性應變傳感器時，不僅可以檢測擺臂、揮拳、跳躍等大幅度動作，更能夠識別例如吞咽、發聲等微信號，具有敏捷反應能力、良好的可重復性和長期穩定性。

PASP參與制備的傳感器能夠更加精準的測定許多物質的含量。Islam等[20]將PASP對碳糊傳感器（CPS）進行修飾，制備出了聚天冬氨酸修飾碳糊傳感器（PAMCPS）。該傳感器用于西替利嗪（CN）存在時乙酰氨基酚（PRT）的檢測。

（6）PASP在礦石浮選方面的應用。在礦石浮選過程中，礦物顆粒要與氣體或液體接觸并吸附，從而實現分離。PASP由于其具有極強的親水性和吸附性，它可以通過吸附作用降低礦物顆粒表面張力，改善礦物顆粒對氣體或液體的濕潤性能，從而提高浮選效率。同時還能與礦物表面形成化學鍵，增強浮選劑與礦物顆粒之間的結合能力，進一步提高浮選效率和分離選擇性。

Wei等[21]對PASP對黃銅礦和銅活化后的閃鋅礦的選擇性抑制作用進行了研究。實驗結果表明添加PASP組分的銅精礦的Cu的品位相較于未添加的PASP組分有顯著的提高，從15.51%提高到31.40%。

3.結束語

PASP目前主要通過天門冬氨酸法和馬來酸酐法合成，由于其分子鏈側基的大量羧基，PASP通過改性制備多種衍生物。PASP及其衍生物由于其獨特的結構有著廣泛的應用，可以作為阻垢劑、緩蝕劑、藥物載體，甚至在農業、傳感器和礦石浮選等方面也起到重要的作用。在今后的研究中，應努力簡化PASP及其改性條件，實現PASP的多功能化，擴大其應用領域，以促進PASP及其衍生物在相關方面的應用研究。