基于2-乙烯基-4，6-二氨基-1，3，5-三嗪功能单体水相氢键的应用研究进展*

王小涛，徐俊阳，谢 逊，刘最芳

(湖北工业大学 材料与化学工程学院，绿色轻工材料湖北省重点实验室，武汉 430068)

0 引 言

功能单体2-乙烯基-4，6-二氨基-1，3，5-三嗪(VDAT)是带有多个潜在氢键位点的“疏水性”(低水溶性)单体(见图1)。值得注意的是，该功能单体具有多个潜在氢键结合位点，在水相中单体与单体之间强大的氢键作用力大于单体与水之间的氢键作用力，所以该单体在水相中仍然能形成有效而强烈的氢键作用。这种特性对于在水相中作为药物载体通过氢键作用力和“疏水亲和力”吸附某些低水溶性的小分子具有极大地帮助，是一种不可多得的功能单体。然而，也正是由于VDAT是在水中溶解度很低的固态化合物，且常用良溶剂只有二甲亚砜，此理化特征限制了该功能单体的应用，所以有关报道相对比较少。目前已有研究者将该功能单体设计成聚合成薄层、凝胶、纳米或微米粒子等，本文综述了其性能的研究及在生物医学领域的应用，希望能挖掘VDAT功能单体更多的应用潜力。

图1 VDAT分子结构和与其它分子/基团形成氢键的潜在位点

1991年，Kunitak等人[1]研究表明，含有4，6-二氨基三嗪分子的Langmuir-Blodgett膜通过氢键在空气/水界面处可结合尿苷和胸苷，为聚合物受体在水相中氢键分子识别方面的应用奠定了基础。

Asanuma等人[2-4]报道了VDAT作为功能单体及其聚合物的早期研究。研究结果表明，在水中，聚2-乙烯基-4，6-二氨基-1，3，5-三嗪(PVDAT)通过二氨基三嗪(DAT)氨基的多个氢键位点在聚合物链上诱导出的非晶微环境促进了水溶液中氢键的形成，从而可选择性识别核酸碱、核苷酸和核苷。红外光谱(IR)已证实了配合物与PVDAT之间氢键的形成，小分子吸附量的大小与其跟DAT氨基形成的氢键数目有关：尿嘧啶和胸腺嘧啶具有朝向DAT的3个氢键位点，而胞嘧啶只具有两个氢键位点，结果表明聚合物对胞嘧啶的吸附量小得多；鸟嘌呤的小结合活性归因于二者复杂的三维结构形成了空间排斥作用。除此之外，PVDAT均聚物对尿嘧啶和胸腺嘧啶的吸附是完全可逆的；乙烯基二氨基三嗪-丙烯酰胺共聚物在水中也可与胸腺嘧啶形成氢键，而相应的单体却不形成氢键，说明了聚合物效应可极大促进PVDAT中DAT氨基的结合活性。这些发现有力地说明了聚合物作为人工载体的前景，它可以通过氢键精确识别并吸附水中的客体分子，为实际应用(如治疗和调节生物反应)打下基础。

1 分子印迹

根据早前报道，VDAT功能单体已成功用于某些分子印迹领域。Slinchenko等人[5]以VDAT为功能单体，在硅烷化玻璃表面上通过聚合VDAT、丙烯酰胺、交联剂和模板毒素双链DNA(dsDNA)成功制备了能识别Vero毒素基因的dsDNA印迹聚合物(MIP)。研究结果表明，VDAT与dsDNA中的A-T碱基对之间存在氢键作用力。通过利用荧光标记dsDNA研究了该水凝胶薄层用于结合Vero毒素dsDNA的特异性，表明了这种涂覆有印迹聚合物的玻璃微滑块可用作检测目标dsDNA序列的选择性表面。在相互作用力方面，这种聚合物确实因VDAT与dsDNA之间的氢键作用力而带有特异性，但是在分子印迹方面还可以研究的更深入。

分子印迹聚合物除了以薄层的形式存在，Ogiso等人[6-7]还使用VDAT作为功能单体合成了dsDNA分子印迹聚合物水凝胶(MIP gel)。该MIP gel因VDAT具有许多氢键结合位点，这些结合位点在大小、形状和目标dsDNA序列的功能基团排列上是互补的。这种以MIP gel为电泳基质来检测dsDNA特定序列的方法是基于电泳过程中MIP gel结合位点的捕获效应, 通过绘制MIP gel中的迁移距离与聚丙烯酰胺凝胶(凝胶电泳中常用)中的迁移距离间的关系来确定目标dsDNA的迁移障碍。研究结果表明，其他点的突变体可以应用于MIP gel，对于MIP gel中的A-T (T-A)碱基对识别还需要一些改进。这种MIP gel制备方法简单，成本低，未知序列dsDNA既可作为模板也可作为靶向dsDNA，在一般医学和法医学的目标DNA分离和检测技术上有一定的应用潜力。

图2 凝胶电泳中dsDNA印迹聚合物凝胶检测靶dsDNA序列原理图[6]

为了深入地了解分子印迹聚合物，苏婷婷等人[8]以VDAT为功能单体、苯巴比妥(PHN)为印迹分子讨论了PHN分子印迹聚合物(PHN-MIPs)的键合条件。采用混合密度泛函方法(M062X)研究了PHN和VDAT的几何优化，自然键轨道(NBO)电荷和分子静电势(MEP)并通过氢键长度和分子中的原子(AIM)理论讨论了PHN分子印迹聚合物(PHN-MIP)的键合条件。研究结果表明，PHN和VDAT之间是通过氢键相互作用，当二者比例为1：4时稳定复合物腔中有10个氢键。该研究有助于选择印迹比，特异性研究也为通用分子印迹材料的合成提供了理论依据，还可以为改进分子印迹技术提供系统的理论参考。但是，仅仅理论上的研究实际上不足以支撑分子印迹方面的进展，投入更多地科学实验研究是非常有必要的。

2 水凝胶

在水凝胶的应用方面，VDAT因DAT氨基的作用不仅可以作为一种机械增强剂，而且还可以赋予水凝胶DNA结合能力和pH响应性。通过与亲水单体和/或交联剂共聚，PVDAT的应用已扩展到基因传递载体的构建和不膨胀、高强度水凝胶的构建。在基于VDAT功能单体的水凝胶中，出现了许多吸引人的特性，如优异的力学性能、刺激反应能力、形状记忆效应、导电性和生物降解性[9]。

在基因传递载体的构建方面，曹智强等人[10]开发了基于PVDAT的聚合物非病毒载体，这是通过氢键特异性结合质粒DNA(pDNA)碱基对的新型基因转移系统。采用常规自由基聚合法合成了PVDAT均聚物及其与聚1-乙烯基-2-吡咯烷酮(PVP)共聚物P(VDAT-co-VP)并纯化得到水溶性部分。研究结果表明，在使用编码荧光素酶或增强绿色荧光蛋白的pDNA转染研究中，该系统可以有效地转染COS-1细胞。与商业化聚阳离子系统ExGen500相比，该系统表现出更高的转染效率、更低的细胞毒性、更好的血清相容性的优点，而且在牛血清白蛋白(BSA)存在下有更好的稳定性。另外，叶桂香等人[11]对这种新建立的PVDAT聚合物/ pDNA体系进行了表面电荷和复杂尺寸的进一步研究，并对其细胞内化机理进行了初步探讨。研究表明，该PVDAT基聚合物能覆盖DNA的表面电荷，形成轻微的负电或中性配合物；这种配合物的尺寸受两个因素的影响：中性粒子不稳定引起的聚集和PVDAT基聚合物产生的更紧密的配合物。在细胞摄取机制研究中，使用氯丙嗪和丝氨酸Ⅲ作为内吞抑制剂，表明PVDAT系统可能通过无网络蛋白，非腔静脉介导的内吞作用进入细胞。利用温度抑制和动力学分析研究该特殊过程，结果表明这一途径的特点是：(1)能量依赖性较强；(2)很慢的转染-有效的内化。

唐磊等人[12-13]分别基于VDAT、交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)和2-(2-甲氧基乙氧基)甲基丙烯酸乙酯(MeO2MA)/ N-异丙基丙烯酰胺共聚合成高强度温敏水凝胶。研究结果表明，VDAT的加入能显著提高水凝胶的力学强度，力学性能的提高归因于氢键强化效应，它通过叠加一个扩展的芳香核而形成相对刚性的六元环结构。另外，VDAT分子间形成的氢键还赋予了水凝胶结合DNA的能力实现反向基因转染。在不添加任何酶的情况下，通过热诱导亲疏水性变化可以分离和收获基因修饰的细胞，这种低细胞毒性水凝胶有望作为可植入的基因锚定基质或支架用于基因治疗和组织工程应用。

VDAT中的DAT-DAT氢键相互作用在提升水凝胶强度和综合性能方面起很重要的作用，基于此可合成多种类型水凝胶并具有多方面的应用潜力。例如，离子交联氢键增强水凝胶为制备高强度形状记忆水凝胶开辟了一条新的途径，可用于多种生物医学应用，如无损细胞收获和软组织替代物[14]，另一种高强度弹性水凝胶也将可用作软组织工程支架[15]；离子响应氢键增强水凝胶可集抗菌、抗炎和伤口愈合功能于一体[16]；强光敏水凝胶不仅可以实现高效的反向基因转染，引入光反应的螺吡喃单元在紫外光照射下可使水凝胶产生可逆的亲疏水性转变，这种氢键作用与光响应结合的水凝胶将在生物医药领域广泛应用[17,18]；除此之外，通过原位混合制备的高强度导电水凝胶在软组织工程生物传感器、柔性电极材料和支架材料将有广泛的应用前景[19]。以上各种水凝胶都是靠VDAT或者VDAT与其他单体的协同作用获得较高的综合力学性能，足以表明该单体的贡献是不可忽视的。

据最新报道，刘最芳课题组[20]还制备了一种含VDAT的双物理交联高强水凝胶,VDAT通过DAT-DAT氢键相互作用诱导第一交联点的形成并与聚丙烯酰胺-丙烯酸P(AM-co-AC)链相互作用，二次物理交联剂Fe3+引入在Fe3+和-COO-基团之间。研究结果表明，由于氢键和离子配位的协同作用，水凝胶具有高抗拉强度，大伸长率，切割成两片后在碱液条件下具有良好的愈合性能。在共聚物链中加入VDAT单元，不仅可以在水含量大(水含量>65%)的情况下形成稳定的氢键交联，而且使水凝胶可以物理吸附类似抗肿瘤5-氟尿嘧啶(5-Fu)等具有特定空间排列化学成分的分子。该双物理交联水凝胶对生物小分子有选择性吸附，可组装成高灵敏度的柔性可穿戴装置，在构建电容传感器方面的潜力也得到了探索。

图3 双物理交联水凝胶形成示意图[20]

基于PVDAT的水凝胶不仅具有较高的综合力学强度，而且由于DAT氨基的可逆质子化而具有pH敏感性。高寒等人[21]制备了由两种氢键单体VDAT和3-丙烯酰胺基硼酸共聚合的新型pH敏感高强度水凝胶。研究表明，由于两种单体分别能在酸性和碱性介质中形成氢键，在pH变化过程中除化学交联外还可以至少保持一个额外的强物理交联。所以，双氢键水凝胶在较宽的pH范围内具有较高的抗拉强度和抗压强度，扩大了其在生物医学和工业中的应用。

另外，王青等人[22]利用两种特征氢键单体VDAT和N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)通过一步共聚反应制备了高强度pH响应的超分子聚合物(SP)水凝胶。研究结果表明，NAGA的氢键在增强强度中起主导作用，pH响应取决于VDAT的DAT基团，当pH值低于DAT的pKa时，氨基质子化后产生的静电排斥作用导致氢键的断裂。这种PNAGA-PVDAT水凝胶在离子化状态下仍能保持较高的机械强度，可能在生物医学和工业领域得到广泛的应用。

一般PVDAT水凝胶由于引入稳定的化学交联而无法降解。吴腾玲等人[23]采用光引发聚合的方法，以VDAT和甲基丙烯酸明胶(GelMA)为单体，合成了一种机械性强、pH响应性好、可生物降解的水凝胶。研究结果表明，二氨基三嗪的氢键对水凝胶的力学性有显著的增强作用，同时起着pH响应的作用，该水凝胶开发在胃滞留填充剂或作为减肥干预和给药方面的潜在应用。

图4 (a)PNAGA(聚N-丙烯酰基甘氨酰胺)和PNAGA-PVDT-X(聚N-丙烯酰基甘氨酰胺-聚2-乙烯基-4，6-二氨基-1，3，5-三嗪-X，X指VDT质量比)水凝胶在pH3和7.4处测定的压缩力学性能；(b)PNAGA-PVDT-2.5水凝胶压缩数字图像[22]

3 纳/微米粒子

聚合物纳米粒子具有比表面积大、表面活化能高、吸附性能强、量子尺寸效应等优点。将VDAT聚合成为纳米粒子成功开拓了新的研究方向。然而，VDAT是水溶性很差的固态化合物，所以很难用传统聚合方法去制备聚合物，迄今发表的VDAT聚合物合成也多半是在有机溶剂中进行，我们课题组首次创新性地采用水相半连续沉淀聚合法合成了粒径可控的PVDAT纳米粒子及微米粒子并进行了吸附研究。

图5 半连续沉淀聚合法合成聚VDAT纳米粒子原理图

早期，以VDAT为单体，2,2′-偶氮二异丁基脒二盐酸盐(V-50)为引发剂采用水相半连续沉淀聚合法合成了带表面正电荷的PVDAT纳米粒子。PVDAT纳米粒子室温下在水中具有良好的稳定分散性。研究结果表明，PVDAT纳米粒子由于每个二氨基三嗪基团可以与尿酸形成3个氢键，所以在磷酸盐缓冲液(PBS，pH7.4)中表现出对尿酸的快速吸附。同时尿酸属低水溶性，减小了水分子对其和PVDAT纳米粒子形成氢键的影响，这种吸附属于多重氢键和“疏水亲和力”的协同作用。另外，当纳米粒子掺入酶墨中还可制成丝网印刷的葡萄糖生物传感器[24]。

在微球方面，我们首次利用功能单体VDAT和聚苯乙烯微球(PS)，采用水相半连续沉淀聚合法在水相中合成了PVDAT@PS核壳微球并对不同dsDNA进行吸附。研究结果表明，带正电荷的PVDAT是通过静电作用包覆于带负电荷的PS微球表面，最佳包覆且包覆厚度约为0.15 μm。当A-T碱基对百分数一致时，DNA链段越长，吸附容量越大；当DNA链段的长度一致的情况下，链段中A-T碱基对含量越高，越有利于吸附[25-26]。在保证PVDAT功能层的前提下该微球的大小可以通过调控PS球的大小得到，对生物大分子的理论吸附性表明该研究在生物领域将具有十分巨大的潜在价值。

另外，利用功能单体VDAT采用水相半连续沉淀聚合法合成了同质核壳结构的PVDAT纳米粒子并对聚合机理进行初步研究。研究结果表明，当VDAT被引发并完成链增长至沉淀成核形成小粒子，逐步消溶沉积到PVDAT纳米核上，从而形成同质核壳结构的PVDAT纳米粒子，当PVDAT纳米核含量为1.25%，VDAT单体为1.25%，引发剂V-50为1%时粒径从139 nm增长到214nm，此增长过程属于典型的Ostwald熟化机制。该研究表明壳的厚度可控，为VDAT功能单体水相制备蛋白质分子印迹聚合物纳米粒子打下基础[27]。

在研究聚合物纳米粒子吸附性方面，采用水相半连续沉淀聚合法合成VDAT聚合物纳米粒子并研究了pH和离子强度对PVDAT吸附牛血红蛋白(BHb)的影响。研究结果表明，聚合过程中VDAT单体和引发剂的比例和加样速率是获得较好的颗粒形貌和较窄的粒径分布的关键因素。pH值在5-12的变化对吸附容量的影响是蛋白质的电荷状态和DAT质子化共同作用结果；当离子强度从1.0增加到200 mmol/L，吸附容量不断下降。Langmuir等温线研究和粒子覆盖率估算表明，BHB大分子在纳米粒子表面以单层形式吸附，结果表明纳米颗粒表面的DAT基团与蛋白质表面的氨基酸基团间的氢键作用对吸附起决定性作用，而静电引力/排斥和疏水亲和力同样具有重要作用[28]。

4 其 它

此外，陈兆斌等人[29]合成了含VDAT的抗菌聚合物。通过常规自由基聚合法合成PVDAT，VDAT与苯乙烯(PS)共聚形成P(PS-co-VDAT)，经氯漂白剂处理后，PVDAT和P(PS-co-VDAT)对多药耐药革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌具有较强、耐用且可再充电的抗菌作用。此前有研究表明聚合氯胺可以是一类有效的抗菌材料。研究表明，经氯漂白剂处理后，VDAT基高分子材料中可形成氯胺结构从而显示出抗菌作用，所以与VDAT共聚是将普通聚合物转化为抗菌材料的有效途径。

Hammer等人[30]合成了对硝基苯芳香分子具有高亲和力的P(PS-co-VDAT)无规共聚物薄膜。由于聚合物链上的氨基与硝基基团之间存在氢键，VDAT基团对4-硝基甲苯具有很强的亲和力，该共聚物在4-硝基甲苯的饱和气氛中仅有4秒的曝光后折射率就增加。硝基苯芳香分子是炸药上方蒸汽的组分，该研究已证明当4-硝基甲苯进入聚合物薄膜时，折射率增加且响应迅速，但是为了实现一个工作传感器，还必须证明是吸收了特定分析物而不是其他任何挥发性物质导致折射率的变化，该研究为探测爆炸装置打下基础。

Kuo等人[31-32]利用VDAT分别于甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和苯乙烯(PS)自由基共聚形成P(VDAT-co-MMA)和P(PS-co-VDAT)共聚物。研究结果表明，VDAT带来的氢键作用力可显著提高P(VDAT-co-MMA)共聚物的热性能，玻璃化转变温度(Tg)显著增加，并且由于超分子聚合物的形成而显著增加了粘度；另外，多氢键单元VDAT结合到先前不相容的PS二元共混物中增强了超分子形成时的混溶性，其中当VDAT以7%(摩尔分数)这样较低含量掺入主链时即可增加PS混溶性。

Taguchi等人[33]通过自由基共聚合法合成了一种含VDAT的新型氢化氟化二元梳状共聚物，梳状共聚物在蒸馏水上形成稳定的凝聚单层膜，研究了DNA分子对梳状共聚物在空气/水界面上的吸附行为及其分子排列。研究结果表明，DNA水溶液上单层膜的π-A等温线结果显示每个VDAT单元的分子面积值的增加对应于2 nm2，转移LB多层膜的红外光谱表明DNA分子是通过氢键吸附在共聚物模板上。

5 结 语

VDAT功能单体能够在水相中形成强烈而有效地氢键作用力，在分子印迹、水凝胶及纳/微米粒子等方面已经展现出独特的优势。虽然因VDAT是固态化合物，在水中的溶解度很低造成了一定的困扰，但是根据已有报道显示出了VDAT在生物医药领域巨大的应用前景。基于VDAT功能单体的各种响应性的水凝胶前景无限广阔，各种环境友好型的水凝胶也有待开发，这将是非常优异的材料并将在生物等领域得到广泛应用。特别地是，如何设计该单体在药物载体以及分子印迹方面的应用也是一个值得探索和非常具有前景的研究方向。基于该单体的研究道路还很长，需要各界人士不断创新和不懈努力才能让它功能最大化，在科研中大放异彩。