韓雨健

（安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)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(huán)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(fā)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(tuán)，具有良好的黏附性能。由于DA 中含有鄰苯二酚基團(tuán)，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(luò)合物（M-PDA）。基于這些優(yōu)良性質(zhì)，PDA 被廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、材料、環(huán)境等領(lǐng)域[3-6]。本論文主要闡述了PDA 的起源與結(jié)構(gòu)及其在涂層、水凝膠等方面的應(yīng)用，提出了現(xiàn)階段存在的問題，并對(duì)PDA 的未來發(fā)展進(jìn)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(nèi)分泌出的一種能夠幫助細(xì)胞傳遞脈沖的化學(xué)物質(zhì)，對(duì)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(nèi)信息的傳遞者而獲得了2000 年的諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。海洋無脊椎類生物貽貝可以分泌出具有強(qiáng)黏附性的蛋白質(zhì)[10]，WAITE 等[11]最先對(duì)這種黏附蛋白展開研究，通過先將黏附蛋白水解，再統(tǒng)計(jì)分析水解后產(chǎn)生的氨基酸片段發(fā)現(xiàn)，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(guān)系。而DA 是與DOPA 有著相同分子結(jié)構(gòu)的衍生物[12]，MESSERSMITH 課題組[13]在2007 年首次報(bào)道了聚多巴胺（DPA）是DA 在弱堿性環(huán)境下自聚合產(chǎn)生的一種物質(zhì)，對(duì)幾乎所有的材料都具有很強(qiáng)的黏附性，同時(shí)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(tuán)，如鄰苯二酚、胺、亞胺、羥基等，這些官能團(tuán)可以發(fā)生邁克爾加成反應(yīng)、靜電反應(yīng)、席夫堿反應(yīng)，使PDA 擁有對(duì)材料表面進(jìn)行功能性修飾的能力。除了在弱堿性環(huán)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(chǔ)上，進(jìn)一步探究了DA 初始濃度及反應(yīng)溫度與PDA 涂層厚度以及粗糙度的關(guān)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(xiàn)，極大提高了聚合速率，也使得DA 在酸性條件下同樣可以進(jìn)行自聚合反應(yīng)。此外，電化學(xué)聚合法制備PDA[17]以及乳液聚合法制備PDA[18-19]同樣是經(jīng)過驗(yàn)證可行的方法?？傮w來說，PDA 的制備方法具有條件簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、綠色等優(yōu)點(diǎn)，但由于其在氧化還原反應(yīng)中產(chǎn)生了許多復(fù)雜的中間體，其形成機(jī)理至今沒有明確。

2 聚多巴胺的結(jié)構(gòu)

在研究PDA 形成機(jī)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(huán)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(nèi)環(huán)化，繼而形成無色多巴胺鉻，無色多巴胺鉻繼續(xù)氧化形成粉色的多巴胺鉻，此后粉色的多巴胺鉻又繼續(xù)通過氧化和重排反應(yīng)形成不穩(wěn)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(xù)發(fā)生歧化反應(yīng)和反向歧化反應(yīng)，并最終形成一種交聯(lián)聚合物，即PDA。但是這種合成機(jī)理還缺少足夠的實(shí)驗(yàn)證據(jù)來證明。

BIELAWSKI 課題組[22]則認(rèn)為PDA 是一種單體聚集體，他們通過固態(tài)光譜和結(jié)晶技術(shù)研究分析發(fā)現(xiàn)，PDA 主要是通過強(qiáng)的非共價(jià)作用（氫鍵、電荷轉(zhuǎn)移、π-π 堆積等）堆疊交聯(lián)而成，其結(jié)構(gòu)與超分子聚合物相似。LIEBSCHER 等[23]認(rèn)為PDA 是由DA、5,6-二羥基吲哚啉（LDAC）及二酮衍生物通過共價(jià)作用聚合形成的雜聚體。HONG 等[24]則認(rèn)為PDA 是非共價(jià)自組裝與化學(xué)共價(jià)聚合共同作用下的產(chǎn)物。他們通過高效液相色譜（HPLC）和質(zhì)譜分析定位了大量沒有聚合的多巴胺后發(fā)現(xiàn)，DA 及其氧化產(chǎn)物DHI 不僅發(fā)生了上述的非共價(jià)鍵的自組裝，同時(shí)在共價(jià)鍵作用下也發(fā)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(xué)者也提出了相似的模型[25-26]。VECCHIA 等[27]通過固態(tài)13C-NMR、15N-NMR、紫外可見分光光度法等進(jìn)一步提出共價(jià)聚合主要發(fā)生在反應(yīng)前期，非共價(jià)作用主要發(fā)生在反應(yīng)后期，即DA、DHI 等通過共價(jià)聚合形成高級(jí)低聚物后再通過非共價(jià)作用交聯(lián)形成PDA。總而言之，DA 初步氧化形成了多巴胺醌，是目前學(xué)者都公認(rèn)的反應(yīng)，關(guān)于PDA 結(jié)構(gòu)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(yīng)用

PDA 表面有大量活性官能團(tuán)，有利于進(jìn)行二次反應(yīng)，還可以對(duì)Ag+、Fe3+、Cu2+等金屬離子進(jìn)行吸附[30]。近些年，關(guān)于PDA 在涂層材料上的應(yīng)用有著大量報(bào)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

PDA 可以通過共價(jià)和非共價(jià)作用力（氫鍵、電荷轉(zhuǎn)移、π-π 堆積等）黏附在材料的表面。例如，對(duì)于金屬或金屬氧化物，PDA 中的兒茶酚結(jié)構(gòu)可以與金屬離子發(fā)生螯合作用，在螯合作用和非共價(jià)作用下，PDA 可以黏附在金屬及金屬氧化物的表面，對(duì)其起到很好的保護(hù)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(tuán)，引入的-OH 與硅烷溶液中的-SiOH以及金屬表面的-OH 形成穩(wěn)定的化學(xué)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(jié)合的方法，在鎂合金的表面生成了氮摻雜碳點(diǎn)（N-CDs）和PDA 復(fù)合涂層，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，顆粒的尺寸越大，N-CDs 涂層的耐腐蝕性越好，且N-CDs/PDA 復(fù)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(duì)于含-NH2/-SH 的有機(jī)材料，多巴胺內(nèi)的酚羥基可以與其發(fā)生邁克爾加成和席夫堿反應(yīng)形成共價(jià)鍵，使PDA 涂層黏附在有機(jī)材料表面，從而改善有機(jī)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(fā)生自聚合制成了PVDF/PDA 原纖維膜，通過研究PVDF/PDA 膜對(duì)亞甲藍(lán)（MB）和Cu2+的吸附發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)出了良好的再生能力。在研究PVDF/PDA 原纖維膜對(duì)油/水的分離中發(fā)現(xiàn)，膜的最大通水量可以達(dá)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(yīng)用

水凝膠（Hydrogels）是一種高分子聚合物，其具有三維網(wǎng)狀的空間結(jié)構(gòu)，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(huán)境下低黏附性的現(xiàn)象，還能提高水凝膠的強(qiáng)度、彈性和光熱轉(zhuǎn)換率等，在生物醫(yī)學(xué)、組織工程、材料科學(xué)等領(lǐng)域有著極大的應(yīng)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(luò)合物，制備了PDA/Cu-CS 復(fù)合水凝膠，后通過對(duì)照檢測(cè)其對(duì)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）及大腸桿菌（Escherichia coli）的活性發(fā)現(xiàn)，PDA/Cu-CS 復(fù)合水凝膠具有一種特殊的“熱離子效應(yīng)”，不僅可以利用光熱效應(yīng)加熱Cu 離子達(dá)到快速有效抑制細(xì)菌生長(zhǎng)的目的，還可以促進(jìn)傷口的愈合和血管恢復(fù)，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(fā)的上轉(zhuǎn)換納米顆粒（UCNPs）NaGdF4:Yb3+、Er3+@NaGdF4上，以羧甲基殼聚糖（CMCS）作為交聯(lián)劑，將UCNPs@PDA 及氧化海藻酸鈉（OSA）通過動(dòng)態(tài)席夫堿反應(yīng)化學(xué)交聯(lián)生成了復(fù)合水凝膠OSA-ICMCS-I-UCNPs@PDA（“I”表示連接），研究發(fā)現(xiàn)，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(jiān)測(cè)復(fù)合水凝膠在溶菌酶環(huán)境下的熒光強(qiáng)度變化過程發(fā)現(xiàn)，熒光強(qiáng)度的降低和復(fù)合水凝膠重量的減少程度保持一致，這表明，經(jīng)過PDA 改性后的UCNPs 作為NIR 激發(fā)熒光探針可以用來動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水凝膠的降解過程，為將來準(zhǔn)確預(yù)測(cè)體內(nèi)的降解行為，避免過度進(jìn)行動(dòng)物研究提供了可能。XIAO 等[40]將PDA 層作為人工固體電解質(zhì)膜（SEI），構(gòu)建了一種多層還原氧化石墨烯（rGO）/Fe3O4@PDA 水凝膠作為陽(yáng)極材料應(yīng)用在鋰電子電池（LIBs）上。PDA 層可以抑制副反應(yīng)下引起的SEI 重復(fù)增厚現(xiàn)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(fù)合水凝膠作為陽(yáng)極材料具有容量高、良好的循環(huán)穩(wěn)定性、快速的充電/放電速率和優(yōu)異的速率性能。郭雨寧等[41]將羧甲基瓊脂糖（CMA）與PDA 相結(jié)合構(gòu)成了CMA-PDA 水凝膠，通過流變儀和質(zhì)構(gòu)儀表征復(fù)合水凝膠的流變性質(zhì)和質(zhì)構(gòu)性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，水凝膠的粘彈性、硬度和黏膠強(qiáng)度在加入PDA 后得到改善。此外，通過研究復(fù)合水凝膠在不同pH 條件下釋放阿霉素（DOX）的情況發(fā)現(xiàn)，這種復(fù)合水凝膠具有pH 響應(yīng)性，在pH=2.0 的環(huán)境下釋放的速度最快，對(duì)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(zhì)遞送載體得到廣泛應(yīng)用。

綜上所述，生物醫(yī)學(xué)材料是PDA 改性的水凝膠應(yīng)用的一個(gè)極為重要也是應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，未來在其他領(lǐng)域的應(yīng)用潛力還有待繼續(xù)發(fā)掘。

5 展望

聚多巴胺具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，表面擁有許多活性官能團(tuán)，同時(shí)幾乎可以黏附在任何材料的表面，表面的活性官能團(tuán)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(shù)的發(fā)展，具有良好生物相容性的多巴胺具有非常廣泛的應(yīng)用前景。聚多巴胺碳化后可以產(chǎn)生具有高電導(dǎo)率的薄膜，在熱電材料領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，但目前關(guān)于這方面的研究還很少。除此以外，目前關(guān)于聚多巴胺的研究和應(yīng)用存在以下等待解決驗(yàn)證的問題：（1）聚多巴胺的聚合機(jī)理及吸附機(jī)理仍是急需解決的問題之一；（2）聚多巴胺的生產(chǎn)成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用，需要深入探索降低生產(chǎn)成本的方法；（3）聚多巴胺的生物相容性基本都是在體外驗(yàn)證，在體內(nèi)的生物相容性有待進(jìn)一步研究。