聚多巴胺的结构研究以及潜在应用领域

韩雨健

（安徽理工大学 化学工程学院，安徽淮南 232001）

海洋贻贝类生物可以通过其足丝分泌出一种黏附蛋白，该蛋白在潮湿的环境下可以迅速固化，使其在海浪冲刷中仍能紧紧地附着于礁石或船体的表面[1-2]。多巴胺（DA）是其黏附蛋白的重要组成部分，在有氧弱碱条件下可以发生自聚合形成聚多巴胺（PDA）。PDA 拥有大量胺、亚胺、邻苯二酚基和羟基等官能团，具有良好的黏附性能。由于DA 中含有邻苯二酚基团，PDA 能够与金属离子形成配位键，这些键将金属离子固定在PDA 上，形成金属-PDA 络合物（M-PDA）。基于这些优良性质，PDA 被广泛应用于生物、医学、材料、环境等领域[3-6]。本论文主要阐述了PDA 的起源与结构及其在涂层、水凝胶等方面的应用，提出了现阶段存在的问题，并对PDA 的未来发展进行展望。

1 聚多巴胺的起源

多巴胺单体又名4-(2-乙胺基)苯-1,2-二酚（DA），是人体脑内分泌出的一种能够帮助细胞传递脉冲的化学物质，对阿尔茨海默病[7]及帕金森病[8]有着非常显著的治疗作用。CARLSSON[9]因确定其为脑内信息的传递者而获得了2000 年的诺贝尔医学奖。海洋无脊椎类生物贻贝可以分泌出具有强黏附性的蛋白质[10]，WAITE 等[11]最先对这种黏附蛋白展开研究，通过先将黏附蛋白水解，再统计分析水解后产生的氨基酸片段发现，其黏附性能与3,4-二羟基-L-苯丙氨酸（DOPA）的含量有着直接关系。而DA 是与DOPA 有着相同分子结构的衍生物[12]，MESSERSMITH 课题组[13]在2007 年首次报道了聚多巴胺（DPA）是DA 在弱碱性环境下自聚合产生的一种物质，对几乎所有的材料都具有很强的黏附性，同时PDA 继承了DA 良好的生物相容性，更为重要的是，PDA 表面存在着许多基团，如邻苯二酚、胺、亚胺、羟基等，这些官能团可以发生迈克尔加成反应、静电反应、席夫碱反应，使PDA 拥有对材料表面进行功能性修饰的能力。除了在弱碱性环境下DA 自聚合形成PDA 外，溶液聚合法制备PDA[14-15]是目前人们最常用的方法。BALL 等[16]在MESSERSMITH 研究的基础上，进一步探究了DA 初始浓度及反应温度与PDA 涂层厚度以及粗糙度的关系，但是DA 氧化聚合的速率和PDA 涂层的粗糙度并未得到改善。直到(NH4)2S2O8和NaIO4这类氧化剂的出现，极大提高了聚合速率，也使得DA 在酸性条件下同样可以进行自聚合反应。此外，电化学聚合法制备PDA[17]以及乳液聚合法制备PDA[18-19]同样是经过验证可行的方法。总体来说，PDA 的制备方法具有条件简单、稳定、绿色等优点，但由于其在氧化还原反应中产生了许多复杂的中间体，其形成机理至今没有明确。

2 聚多巴胺的结构

在研究PDA 形成机理的最初阶段，人们提出一种类似于生物体中黑色素的形成过程[20]。即DA 在弱碱性环境下，首先被氧化成多巴胺醌，多巴胺醌再通过1,4-迈克尔型加成[21]完成其分子内环化，继而形成无色多巴胺铬，无色多巴胺铬继续氧化形成粉色的多巴胺铬，此后粉色的多巴胺铬又继续通过氧化和重排反应形成不稳定的5,6-二羟基吲哚中间体（DHI），DHI 极易被氧化形成5,6-吲哚醌（IDQ），DHI 与IDQ 继续发生歧化反应和反向歧化反应，并最终形成一种交联聚合物，即PDA。但是这种合成机理还缺少足够的实验证据来证明。

BIELAWSKI 课题组[22]则认为PDA 是一种单体聚集体，他们通过固态光谱和结晶技术研究分析发现，PDA 主要是通过强的非共价作用（氢键、电荷转移、π-π 堆积等）堆叠交联而成，其结构与超分子聚合物相似。LIEBSCHER 等[23]认为PDA 是由DA、5,6-二羟基吲哚啉（LDAC）及二酮衍生物通过共价作用聚合形成的杂聚体。HONG 等[24]则认为PDA 是非共价自组装与化学共价聚合共同作用下的产物。他们通过高效液相色谱（HPLC）和质谱分析定位了大量没有聚合的多巴胺后发现，DA 及其氧化产物DHI 不仅发生了上述的非共价键的自组装，同时在共价键作用下也发生了氧化聚合。聚合物将自组装的三聚体紧紧包裹住，形成棕黑色的PDA 沉淀，其他学者也提出了相似的模型[25-26]。VECCHIA 等[27]通过固态13C-NMR、15N-NMR、紫外可见分光光度法等进一步提出共价聚合主要发生在反应前期，非共价作用主要发生在反应后期，即DA、DHI 等通过共价聚合形成高级低聚物后再通过非共价作用交联形成PDA。总而言之，DA 初步氧化形成了多巴胺醌，是目前学者都公认的反应，关于PDA 结构的讨论还有很多[28-29]，这些都还需要加以研究和证明。

3 聚多巴胺在涂层方面的应用

PDA 表面有大量活性官能团，有利于进行二次反应，还可以对Ag+、Fe3+、Cu2+等金属离子进行吸附[30]。近些年，关于PDA 在涂层材料上的应用有着大量报道[31-32]，这些都表明了PDA 在材料表面的功能性修饰上具有独特的优势。

PDA 可以通过共价和非共价作用力（氢键、电荷转移、π-π 堆积等）黏附在材料的表面。例如，对于金属或金属氧化物，PDA 中的儿茶酚结构可以与金属离子发生螯合作用，在螯合作用和非共价作用下，PDA 可以黏附在金属及金属氧化物的表面，对其起到很好的保护作用[33]。丁玉康等[34]将PDA 黏附在氮化硼（BN）的表面，在BN 表面引入了大量羟基和氨基等活性管能团，引入的-OH 与硅烷溶液中的-SiOH以及金属表面的-OH 形成稳定的化学键，解决了BN与硅烷溶液相容性差的问题，显著提高了BN 的耐腐蚀性能。ZHANG 等[35]通过电沉积和浸镀相结合的方法，在镁合金的表面生成了氮掺杂碳点（N-CDs）和PDA 复合涂层，经过研究发现，颗粒的尺寸越大，N-CDs 涂层的耐腐蚀性越好，且N-CDs/PDA 复合涂层拥有很好自愈能力，还可以明显改善镁合金的耐腐蚀性能。

对于含-NH2/-SH 的有机材料，多巴胺内的酚羟基可以与其发生迈克尔加成和席夫碱反应形成共价键，使PDA 涂层黏附在有机材料表面，从而改善有机材料的亲水性。MA 等[36]将多巴胺直接溶解在聚偏氟乙烯（PVDF）溶液中，在缓冲溶液的作用下，PDA在原纤维膜表面发生自聚合制成了PVDF/PDA 原纤维膜，通过研究PVDF/PDA 膜对亚甲蓝（MB）和Cu2+的吸附发现，PVDF/PDA 原纤维膜不仅具有很好的吸附能力，在吸附MB 后还表现出了良好的再生能力。在研究PVDF/PDA 原纤维膜对油/水的分离中发现，膜的最大通水量可以达到729.3 L/（m2·h），这表明PDA 涂层的存在使膜的分离能力得到显著提高。

4 聚多巴胺在水凝胶方面的应用

水凝胶（Hydrogels）是一种高分子聚合物，其具有三维网状的空间结构，拥有良好的生物相容性和亲水性[37]。利用PDA 改性水凝胶不仅可以解决水凝胶在潮湿环境下低黏附性的现象，还能提高水凝胶的强度、弹性和光热转换率等，在生物医学、组织工程、材料科学等领域有着极大的应用前景。

XU 等[38]通过PDA 与Cu-CS 陶瓷颗粒相互作用生成PDA/Cu 络合物，制备了PDA/Cu-CS 复合水凝胶，后通过对照检测其对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）及大肠杆菌（Escherichia coli）的活性发现，PDA/Cu-CS 复合水凝胶具有一种特殊的“热离子效应”，不仅可以利用光热效应加热Cu 离子达到快速有效抑制细菌生长的目的，还可以促进伤口的愈合和血管恢复，这为有效治疗耐药感染性伤口提供了一种可行的方法。WU等[39]将PDA涂在具有近红外光（NIR）激发的上转换纳米颗粒（UCNPs）NaGdF4:Yb3+、Er3+@NaGdF4上，以羧甲基壳聚糖（CMCS）作为交联剂，将UCNPs@PDA 及氧化海藻酸钠（OSA）通过动态席夫碱反应化学交联生成了复合水凝胶OSA-ICMCS-I-UCNPs@PDA（“I”表示连接），研究发现，这种水凝胶具有很好的生物相容性、渗透性及自愈合功能。通过监测复合水凝胶在溶菌酶环境下的荧光强度变化过程发现，荧光强度的降低和复合水凝胶重量的减少程度保持一致，这表明，经过PDA 改性后的UCNPs 作为NIR 激发荧光探针可以用来动态监测水凝胶的降解过程，为将来准确预测体内的降解行为，避免过度进行动物研究提供了可能。XIAO 等[40]将PDA 层作为人工固体电解质膜（SEI），构建了一种多层还原氧化石墨烯（rGO）/Fe3O4@PDA 水凝胶作为阳极材料应用在锂电子电池（LIBs）上。PDA 层可以抑制副反应下引起的SEI 重复增厚现象，并且缓冲Fe3O4纳米颗粒（Fe3O4NPs）的粉碎，控制锂化/脱锂过程中的体积变化，这种复合水凝胶作为阳极材料具有容量高、良好的循环稳定性、快速的充电/放电速率和优异的速率性能。郭雨宁等[41]将羧甲基琼脂糖（CMA）与PDA 相结合构成了CMA-PDA 水凝胶，通过流变仪和质构仪表征复合水凝胶的流变性质和质构性质发现，水凝胶的粘弹性、硬度和黏胶强度在加入PDA 后得到改善。此外，通过研究复合水凝胶在不同pH 条件下释放阿霉素（DOX）的情况发现，这种复合水凝胶具有pH 响应性，在pH=2.0 的环境下释放的速度最快，对DOX 具有很好的缓释能力，基于以上性能，它可以作为生物活性物质递送载体得到广泛应用。

综上所述，生物医学材料是PDA 改性的水凝胶应用的一个极为重要也是应用最广泛的领域，未来在其他领域的应用潜力还有待继续发掘。

5 展望

聚多巴胺具有独特的结构，表面拥有许多活性官能团，同时几乎可以黏附在任何材料的表面，表面的活性官能团能够赋予材料亲水性、生物相容性。随着药物传递、靶向药物治疗、纳米技术的发展，具有良好生物相容性的多巴胺具有非常广泛的应用前景。聚多巴胺碳化后可以产生具有高电导率的薄膜，在热电材料领域具有很好的应用前景，但目前关于这方面的研究还很少。除此以外，目前关于聚多巴胺的研究和应用存在以下等待解决验证的问题：（1）聚多巴胺的聚合机理及吸附机理仍是急需解决的问题之一；（2）聚多巴胺的生产成本较高，限制了其大规模应用，需要深入探索降低生产成本的方法；（3）聚多巴胺的生物相容性基本都是在体外验证，在体内的生物相容性有待进一步研究。