聚酰胺－胺树状大分子的合成及应用

梁建国，郝 红，韦雄雄，曹亚虹，田忠社

（西北大学化工学院，陕西 西安710069）

聚酰胺－胺树状大分子的合成及应用

梁建国，郝 红＊，韦雄雄，曹亚虹，田忠社

（西北大学化工学院，陕西 西安710069）

介绍了聚酰胺－胺（PAMAM）树状大分子的合成方法，如发散合成法、收敛合成法、发散收敛合成法等，并对各种合成方法的优劣进行了分析。综述了PAMAM树状大分子在药物载体、表面活性剂、催化剂、生物传感器和光化学器件等方面的应用。

聚酰胺－胺树状大分子；发散合成法；药物载体

0 前言

PAMAM树状大分子是近年来国外开发的一种新型功能高分子，也是第一个被报道的具有三维立体球形结构的树枝状高分子。它由初始引发核、重复单元组成的内层、含有大量官能团的表面区域三部分构成，由于其具有高度支化、高度对称及表面含有大量官能团等独特的结构特点，广泛应用于药物载体、表面活性剂、催化剂、生物传感器、光化学器件等领域［1］。

1 PAMAM树状大分子的合成方法

1.1 发散合成法

1985年，Tomalia等［2］首次利用发散法合成了PAMAM树状大分子以来，以其为基础合成了具有各种结构的树枝大分子，目前已成为应用最广泛的树状大分子。PAMAM 合成机理为从多功能基的引发核心（如乙二胺、胺、苯胺等）出发，与丙烯酸甲酯进行完全的Michael加成反应得到0.5代PAMAM树状大分子，然后用过量的乙二胺（EDA）与0.5代进行酯的酰胺化反应，得到1.0代PAMAM树状大分子［3］。不断重复上述步骤，理论上可得到任意高代数的PAMAM树状大分子。图1为采用发散法合成的以EDA为中心核的1.0代PAMAM树状大分子。

发散合成法是目前合成PAMAM树状大分子采用最多、最成熟的一种合成方法，具有反应条件温和、反应迅速、选择性高等优点，其缺点是为了使末端官能团反应完全，防止下一级产物产生缺陷，在合成过程中往往使用了过量的EDA，而过量的EDA会残留在PAMAM树状分子内部的大量空腔中，导致分离和纯化很困难。尤其在合成高代数的PAMAM树状分子时，由于受到空间位阻的影响，使得反应不完全，从而造成PAMAM树状分子产生结构缺陷，影响相对分子质量的单分散性。因此，该方法合成的关键在于精确控制分子链在空间的生长及产物的纯化［4］。研究结果表明，由发散法合成的PAMAM树状大分子，在低代数下（3.0G以下）为敞开和相对疏松的结构，而在高代数下（4.0G以上）则是表面紧密堆积的结构［5］。

图1 发散法合成PAMAM的路线Fig.1 Synthesis of PAMAM by divergent method

在合成高代数PAMAM树状大分子时，由于反应步骤过多，反应后产物的提纯复杂，无法实现大规模合成。Majoros等［6］采用重复发散的方法，合成了以不同代数的聚丙烯亚胺树形分子（POMAM）为核、PAMAM为壳的高代数混合树枝状聚合物，减少了反应步骤，保证了产物的质量。2.0G、3.0G、4.0G 的POMAM分子表面分别含有16、32、64个伯胺基，在核上重复进行Michael反应和酰胺化反应就得到了不同代数的PAMAM壳。采用高效液相色谱（HPLC）、凝胶色谱（GPC）、核磁共振（NMR）、原子力显微镜（AFM）等对混合树枝状聚合物进行表征，其相对分子质量、13C－NMR谱图、流体力学直径等接近理论值，分子颗粒大小均一，产物具有与PAMAM树状大分子相似的传输活性，且无生物毒性。

1.2 收敛合成法

收敛合成法是1990年Cornell大学的Fréchet等［7］提出来的，与发散法的合成顺序正好相反，如图2所示。它是从将要生成树状聚合物的最外层结构部分开始，先构造外围分支，然后逐步向内合成。王冰冰等［8］利用收敛法合成了具有32个末端基的扇形树枝状分子，它由2分子16个端基的扇形PAMAM树枝状分子组装而成。通过对该树枝状大分子进行红外光谱（FTIR）、1H－NMR、13C－NMR、基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（Maldi－Tof）分析表明，其结构与目标化合物相符合，而且分散单一，不存在缺陷。

图2 收敛合成法生长示意图Fig.2 Schematic diagram of convergent method

收敛合成法由于反应点数目有限，有利于反应完全，可以获得单分散程度很高的产物，而且目标产物与合成体系中其他成分的结构、性能差别较大，在提纯和表征方面优于发散法。但缺点是反应时间过长，同时随着增长级数的增加，树突的尺寸变大以后，在中心点的官能团所受的空间位阻将增大，阻碍反应的进一步进行。因此，到目前为此，几乎没有高代数的PAMAM树状大分子是通过收敛法合成的。

1.3 发散收敛结合法

发散收敛结合法是Fréchet等［9］在综合了发散法和收敛法的特点后，提出的一种新的合成方法，如图3所示。先用发散法合成一个高度枝化的PAMAM中心核，再用收敛法制得一个扇形结构的高度支化单体，最后将支化单体接到PAMAM中心核上合成出树状大分子。这种方法合成出来的PAMAM树状大分子的端基官能团具有功能化。Aoi等［10］采用发散收敛结合法合成了一种具有表面嵌段结构的两亲AB型树状大分子，具体步骤为：首先对中心核EDA进行半保护，以发散法合成非对称型的PAMAM（2.0G）树状大分子，再分别与吡喃葡萄糖－D－葡萄糖酸内酯和邻苯二甲酸酐反应，得到A（亲水性）和B（疏水性）两种嵌段结构的半球状树状大分子，最后，脱除中心核上的保护基，以收敛法将A、B连接起来，形成球形树状大分子。紫外光谱分析表明半球表面的“糖衣”对蛋白质受体具有明显的识别功能，该物质可作为细胞识别的生物医学材料。

图3 发散收敛结合法合成示意图Fig.3 Schematic diagram of divergent－convergent method

2 PAMAM树状大分子的应用

2.1 在药物载体中的应用

目前研发的新药中大约有40%由于其水溶性和细胞膜通透性较差，导致生物利用度不高，被制药行业所淘汰。而通过开发一种运载能力强的纳米结构分子载体的新型药物传输技术能够很好地解决这一类问题。因此，合成一种高效的纳米结构载体是解决此问题的关键。

PAMAM内部具有疏水性的空腔结构，表面含有大量的亲水基团，药物可通过疏水、静电或氢键作用包载于空腔内部，也可通过静电、共价结合于表面形成复合物，从而增加药物的溶解度，提高药物的生物利用度。此外，PAMAM树状大分子这类非病毒载体没有免疫原性，不会引起细胞的免疫反应，在体内能适时降解且降解产物无毒，是一类很有潜力的药物载体。

随着人们对PAMAM树状大分子研究的深入，Duncan等［11］发现由于整代PAMAM树状大分子表面含有大量末端氨基，在生理pH条件下易于质子化而带正电，使其具有一定的细胞毒性。而用无毒性亲水聚合物脂肪酸、聚乙二醇（PEG）等修饰PAMAM，通过控制PEG链的长度及其在树状大分子表面结合的密度，使细胞表面与树状大分子的接触面积达到最小，可以显著降低PAMAM的细胞毒性，同时可以提高生物相容性［12］。余沛霖等［13］合成了一种经PEG表面修饰的PAMAM树枝状大分子可包裹33个抗癌药物甲氨蝶呤（MTX）分子，比未经PEG修饰的树状大分子载体具有更强的包裹能力，并具有一定的药物缓释功能，其细胞毒性也明显偏低。

药物从聚合物/药物共价复合物中的释放速率对提高药物生物利用度起着重要的作用，而药物释放的速率取决于聚合物表面的空间位阻。Kurtoglu等［14］将布洛芬与4代PAMAM分别用酯键、酰胺键及肽键等连接，形成共价复合物。研究结果表明，酯基连接的共价复合物的水解受pH值影响较大，而氨基连接的复合物在不同pH条件下都很稳定。当PAMAM与布洛芬直接由酯键、酰胺键连接时，由于空间位阻的影响，在组织蛋白酶B缓冲液和稀的血浆液中不会发生酶解而释药。而由肽键连接时，在组织蛋白酶B作用下48h药物释放40%。以相对分子质量为5000的PEG为载体得到的前药布洛芬－PEG在血浆液中12h布洛芬释放65%。因此，PAMAM表面的空间位阻影响着药物的释放速度。

2.2 在表面活性剂中的应用

目前大部分油田已进入石油开发的中后期，为了提高采收率，通常采用注水采油、聚合物驱油、表面活性剂驱油等强化采油措施，使得采出液中乳液越来越稳定，对破乳剂的性能要求更加严格，而传统的破乳剂大多是用环氧化物制备的嵌段共聚物通过复配而得，在O/W/O和 W/O/W等多重乳液中运用，不仅用量大，而且脱水效果差，不能满足油田生产的需要。因此开发一种具有新型化学结构的高效破乳剂已成为油田开采中面临的一项重要课题。

PAMAM是一种具有新型化学结构的化合物，其作为表面活性剂与传统的线形表面活性剂不同，随着代数的增多，它接近于球形。分子中的碳氢链及甲基是亲油基团，羧基和胺基是亲水基团，能够强烈地吸附油水界面，降低界面膜强度，促进界面膜破裂，达到油水分离的效果。随着代数的增加及破乳剂质量分数的增加，降低界面膜的能力增强［15］。

Zhang等［16］合成以PAMAM（3.0G）为核，环氧丙烷－环氧乙烷共聚物为树枝的两亲共聚物，与天然表面活性剂相比，它具有良好的渗透性、较高的界面活性及空隙率。通过临界胶团浓度（CMC）及表面张力（γCMC）的变化可知，当支链长度增加时，由于环氧丙烷链段的疏水作用增强，聚合物的亲水性下降，导致聚合物的破乳能力下降，表面张力增大。

王瑜等［17］采用发散法合成了各代PAMAM树状大分子，经除油性能实验分析，3.0G的PAMAM在加入量为70mg/L时的除油效果最好，对含油污水的除油率可达到85.1%，其悬浮物质量分数也从138mg/L下降到73mg/L，水质清澈，无明显悬浮物。随着研究的深入，人们尝试将具有能够提高絮体沉降速度的一些纳米级粉末包覆于PAMAM的内部空间中，利用二者不同的除油机理来提高其除油率。王春磊等［18］将PAMAM与纳米级的磁性四氧化三铁粉末进行包覆研究，合成了一种新型的除油剂，并将其应用于油田污水处理。通过除油实验表明，该除油剂既有大分子除油剂的絮凝除油效果，又具有纳米四氧化三铁的聚结沉降作用。在加入量为70mg/L时，可将孤四联污水含油量从1273.6mg/L 降到35.7mg/L，除油率高达97.2%，悬浮物从145mg/L降到58mg/L，而现场使用的药剂罗曼哈斯的除油率只有87.2%，经适应性研究表明该除油剂对孤岛三个联合站的污水具有一定的适应性。

2.3 在光化学器件中的应用

许多研究小组已经报道了大量带有“供体”和“受体”功能基团的光捕集或具有天线效应的树状聚合物，该聚合物本身并不参与电子传输过程，而是作为电子“供体”与电子“受体”的平台，通过功能基团的吸收和释放电子，能够实现高效的能量传输。Bojinov等［19］运用收敛法首次合成了以PAMAM为核，外层为1，8－萘酰亚胺荧光体的新型树状化合物。这种化合物表面功能化的“供体”染料（发蓝光的1，8－萘酰亚胺）吸收光能并将能量传递至处于树状分子核心的“受体”染料（发黄绿色光的1，8－萘酰亚胺）。光谱分析可以看出，“供体”染料的发射峰与“受体”染料的吸收峰有95%以上的交叉，反映了二者之间存在能量转移。外层荧光体的光发散强度下降了93%，而核中心荧光体的荧光强度增加了26倍，充分说明该化合物是一种高效的光捕集天线。

2.4 在催化剂领域中的应用

树状聚合物具有能够严格控制分子内部空腔、外部端基数目及分子之间尺寸等特性，可以根据不同的需要改变催化活性中心的位置，使其在催化剂领域中具有非常重要的应用。Albiter等［20］以端基为羟基的4.0G的PAMAM树状大分子为模板，包裹大约40个铂原子，形成平均直径为1.5nm的树状聚合物包裹纳米粒子，将其分散于自制的硅凝胶基质中，得到新型铂类催化剂，分别在真空、O2和H2中验证活化条件对催化剂活性的影响。结果表明，在H2环境中，铂粒子比在真空和O2中更稳定，直到温度超过625K才出现烧结，而且用H2活化过的催化剂在反式丁烯异构化反应中具有很好催化活性。

Endo等［21］分别将摩尔比为3/1、1/1、1/3的金、银纳米粒子与 PAMAM（3.0G、4.0G）的端胺基和PAMAM（3.5G、4.5G）的端羧基相连。紫外光谱显示，金、银粒子不仅仅是物理混合，而且还有合金形成。通过透射电镜（TEM）观察，银粒子的平均直径为7～10nm，金及合金粒子的直径为3～4nm。在400nm处检测其吸光度可知，催化剂对对硝基苯酚的还原反应有明显的催化活性，当金、银的摩尔比为3/1时，催化活性达到最大。说明金银合金对催化剂的活性具有增强作用。

2.5 在生物传感器中的应用

近年来，人们将具有电活性和分子识别功能的基团负载于树状聚合物的端基上，制成一种灵敏度高、稳定性强、选择性好的生物传感器；还可以利用树状大分子结构精确可控的特点，调节功能基团在大分子表面的密度，进而提高传感器的灵敏度和有效性。Yin等［22］以 KAuCl4溶液、PAMAM（4.0G）、甲酸为原料，在超声条件下将Au包裹于PAMAM中合成新型PAMAM/Au纳米复合材料，并将其用于制造高灵敏度测量电流的葡萄糖生物传感器。研究表明，该传感器具有较高的灵敏度和可再生性，响应时间小于5s，线性范围为0.1～15.8μM，并具有良好的稳定性和选择性。通过采用标准添加法评估该生物传感器的适应性，实验证明，该葡萄糖生物传感器对测量人体血浆葡萄糖浓度具有极好的效果。

Siqueira等［23］利用层层组装技术合成由PAMAM与单壁式纳米管构成的层层组装薄膜。将具有电容性的电解液绝缘半导体（EIS）作为青霉素生物传感器，而单壁式纳米管渗透至树状大分子层中，该组装薄膜显示出极好的多孔渗透性。分别将EIS负载于PAMAM与单壁式纳米管多层膜、PAMAM与聚对苯乙烯磺酸钠形成的层层组装薄膜上，并与将青霉素酶固定于EIS生物传感器进行比较，测量各组中电容、电压的大小。结果表明，EIS纳米结构对pH具有很高的灵敏度，各传感器随着青霉素浓度的增加其平能带电压向低电位转变，青霉素浓度从5μM增大到25mM，EIS纳米生物传感器倾斜度达到116mV/十进制，而青霉素酶固定于EIS生物传感器为83mV/十进制，说明PAMAM纳米结构组装膜使得传感器具有更高的灵敏度和更好的特性。

3 展望

PAMAM树状大分子独特的结构特性，使其在工业、农业、生命科学、医学、环境保护等领域具有广泛的应用前景。人们对其性能的研究越来越重视，近年来发表的论文呈指数形式增加。然而，作为已经商品化的3种树状大分子之一，由于在合成过程反应步骤过多、产物分离与纯化过程繁琐，使其成本居高不下，未能实现大规模的应用。因此，通过改善合成方法，使其能够达到规模化的生产要求，降低生产成本将是未来研究的重要方向。相信在不久的将来，它将会在各领域中得到更多实际的应用。

［1］ 谭惠民，罗运军.树枝形聚合物［M］.北京：化学工业出版社，2002：375－379.

［2］ Tomalia D A，Baker H，Dewald J，et al.A New Class of Polymers：Starburst Dendritic Macromolecules［J］.Polymer，1985，17（1）：117－132.

［3］ 雷金环，刘 伟，郦和生，等.树枝状大分子的合成及其阻垢性能［J］.北京化工大学学报，2008，35（2）：1－4.

［4］ 章昌化，胡剑青，涂伟萍.聚酰胺－胺（PAMAM）树状分子的合成［J］.化工新型材料，2005，33（10）：32－34.

［5］ Ottaviani M F，Cossu E，Turro N J，et al.Characterization of Starburst Dendrimers by Electron Paramagnetic Resonance 2.Positively Charged Nitroxide Radicals of Variable Chain Length Used as Spin Probes［J］.American Chemical Society，1995，117：4387－4398.

［6］ Majoros I J，Williams C R，Tomalia D A，et al.New Dendrimers：Synthesis and Characterization of POMAMPAMAM Hybrid Dendrimers［J］.Macromolecules，2008，41：8372－8379.

［7］ Hawker C J，Fréchet J M J.Preparation of Polymers with Controlled Molecular Architecture：A New Convergent Approach to Dendritic Macromolecules［J］.American Chemical Society，1990，112：7638－7647.

［8］ 王冰冰，罗宇飞，贾欣茹，等.扇形PAMAM树枝状高分子的合成与表征［J］.高分子学报，2004，（2）：304－308.

［9］ Wooley K L，Hawker C J，Fréchet J M J.Hyperbranched Macromolecules via a Novel Double－stage Convergent Growth Approach［J］.American Chemical Society，1991，113：4252－4261.

［10］ Aoi K，Itoh K，Okada M.Divergent/Convergent Joint Approach with a Half－protected Initiator Core to Synthesize Surface－block Dendrimers［J］. Macromolecules，1997，30：8072－8074.

［11］ Duncan R，Izzo L. Dendrimer Biocompatibility and Toxicity［J］.Advanced Drug Delivery Reviews，2005，57（15）：2215－2237.

［12］ Svenson S.Dendrimers as Versatile Platform in Drug Delivery Applications［J］.European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics，2009，71：445－462.

［13］ 余沛霖，李慎焘，叶 玲，等.PEG化PAMAM树状大分子的合成及其作为药物载体的研究［J］.中国生物医学工程学报，2007，26（6）：921－925.

［14］ Kurtoglu Y E，Mishra M K，Kannan S，et al.Drug Release Characteristics of PAMAM Dendrimer－drug Conjugates with Different Linkers［J］.International Journal of Pharmaceutics，2010，384：189－194.

［15］ 周继柱，张 巍，檀国荣，等.聚酰胺－胺星形聚醚原油破乳剂的合成与性能［J］.精细石油化工，2008，25（5）：5－10.

［16］ Zhang W，Dong G J，Yang H，et al.Synthesis，Surface and Aggregation Properties of a Series of Amphiphilic Dendritic Copolymers［J］.Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2009，348：45－48.

［17］ 王 瑜，王春磊，姜崔玉，等.聚酰胺－胺树状大分子的合成及其除油性能研究［J］.石化技术与应用，2010，28（2）：116－119.

［18］ 王春磊，吴鲁宁，刘惠英，等.新型除油剂的合成及性能研究［J］.水处理技术，2009，35（11）：41－44.

［19］ Bojinov V B，Georgiev N I，Nikolov P S.Design and Synthesis of Core and Peripherally Functionalized with 1，8－Naphthalimide Units Fluorescent PAMAM Dendron as Light Harvesting Antenna［J］.Journal of Photochemistry and Photobiology A：Chemistry，2008，197：281－289.

［20］ Albiter M A，Morales R，Zaera F.Dendrimer－based Synthesis of Pt Catalysts for Hydrocarbon Conversion［J］.Applied Catalysis A：General，2011，391（1/2）：386－393.

［21］ Endo T，Yoshimura T，Esumi K.Synthesis and Catalytic Activity of Gold－silver Binary Nanoparticles Stabilized by PAMAM Dendrimer［J］.Journal of Colloid and Inter－face Science，2005，286：602－609.

［22］ Yin Y，Li W Y，Zhang N D，et al.Ultrasound－radiated Synthesis of PAMAM－Au Nanocomposites and Its Application on Glucose Biosensor［J］.Ultrasonics Sonochemietry，2010，17：17－20.

［23］ Siqueira J J R，Abouzar M H，Poghossian A，et al.Penicillin Biosensor Based on a Capacitive Field Effect Structure Functionalized with a Dendrimer/Carbon Nanotube Multilayer［J］.Biosensors and Bioelectronics，2009，25：497－501.

Synthesis and Application of Polyamidoamine Dendrimer

LIANG Jianguo，HAO Hong＊，WEI Xiongxiong，CAO Yahong，TIAN Zhongshe
（School of Chemical Engineering，Northwest University，Xi’an 710069，China）

This paper briefly introduced the synthesis methods of polyamidoamine （PAMAM）dendrimer，including divergent，convergent，and divergent－convergent methods.The advantages and disadvantages of these methods were discussed.The application of PAMAM in drug carrier，surfactant，catalyst，biosensor，and photochemical devices was reviewed.

polyamidoamine dendrimer；divergent method；drug carrier

TQ323.6

B

1001－9278（2011）10－0028－06

2011－04－22

＊联系人，haohong＠nwu.edu.cn