郭亭亭,慕蓉,任浩浩,孫初鋒,李佳

(西北民族大學(xué) 化工學(xué)院,甘肅 蘭州 730030)

從傳統(tǒng)的工業(yè)技術(shù)到近代高科技,表面處理技術(shù)起到了不容忽視的作用,涂層技術(shù)是表面修飾的重要方法,尋找操作便捷且通用的涂層工藝一直備受關(guān)注[1]。基于海洋生物貽貝(mussel) 的仿生化學(xué)因其優(yōu)異的通用性及超強(qiáng)黏附性等優(yōu)良特點(diǎn),可以很大程度上提高對(duì)材料表界面的控制,已經(jīng)成為表面修飾技術(shù)的重要方法之一,被應(yīng)用于環(huán)境、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[2]?；跓o脊椎貝類的仿生化學(xué)主要是通過兒茶酚類化合物(鄰苯二酚、多巴胺、沒食子酸與丹寧酸等)[3-6]的氧化自聚合從而來達(dá)到對(duì)基底材料表界面改性的目的。

多巴胺(4-(2-氨基乙基)-1,2-苯二酚,DA)作為一種可應(yīng)用于貽貝仿生化學(xué)改性得低分子量的兒茶酚胺化合物,其分子結(jié)構(gòu)上富含酚羥基與胺基功能團(tuán),在水中就能在很多材料表面發(fā)生自聚合,可作為表面仿生黏附劑。多巴胺氧化自聚合形成聚多巴胺(PDA),且在無需額外添加各種還原劑和表面活性劑的情況下通過氫鍵作用、螯合作用、π-π相互作用、共價(jià)鍵作用等復(fù)雜的物理化學(xué)作用緊緊地黏附在各種基體表面成膜,其材料功能化克服了傳統(tǒng)納米材料改性時(shí)的高污染,反應(yīng)條件苛刻等缺點(diǎn),是一種環(huán)境友好型試劑。此外聚多巴胺由于具有類似粘性蛋白的結(jié)構(gòu),形成的薄膜表面含有大量活性基團(tuán)為進(jìn)一步修飾改性材料表面提供了條件,具有表面可二次修飾的優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了膜的功能化。不僅如此,還具有較好的生物相容性及低細(xì)胞毒性,聚多巴胺與不同類型的細(xì)胞(成骨細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、神經(jīng)元)進(jìn)行各種體外研究表明,聚多巴胺對(duì)細(xì)胞活力沒有任何顯著影響和不良反應(yīng),因此,PDA在生物傳感、癌癥治療和抗菌等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也備受關(guān)注。本文綜述了基于貽貝仿生PDA改性納米材料的制備(聚多巴胺納米片、納米顆粒),并且探索了這些聚合物復(fù)合材料在醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用方面的最新進(jìn)展,并進(jìn)行了展望。

1 聚多巴胺概述與制備方法

多巴胺這一物質(zhì)曾由Lee[7]等人提出,作為一種位于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì),其可以在人體內(nèi)作為神經(jīng)傳導(dǎo)介質(zhì)來達(dá)到控制情欲的作用,有氧條件下,可自聚合為具有特殊黏附性能的聚多巴胺。伴隨著人們對(duì)聚多巴胺的深入了解,其制備方法也不斷創(chuàng)新,溶液氧化法[8]、電化學(xué)聚合法[9]和酶氧化法[10]等新型聚合方法進(jìn)一步開拓了多種制備PDA的選擇途徑。

溶液氧化法主要包括氨-乙醇法、Tris-堿緩沖法和NaOH-堿緩沖法。雖然反應(yīng)條件溫和且不需要昂貴的實(shí)驗(yàn)儀器,但是這種方法作為涂層材料時(shí),對(duì)多巴胺濃度、氧化劑含量、溫度、pH值等要求較為嚴(yán)苛,并且此方法中多巴胺聚合速度緩慢,因此不能產(chǎn)生令人滿意的結(jié)果。電化學(xué)聚合法反應(yīng)速度快,并且不會(huì)發(fā)生PDA聚集,通?？捎糜诓煌妆砻?有助于電極板上的電子轉(zhuǎn)移,但該方法的缺點(diǎn)是需要導(dǎo)電材料進(jìn)行電聚合。酶氧化法[11]比溶液氧化法更加環(huán)保且避免了上述電化學(xué)聚合法的局限性,因此被認(rèn)為是合成聚多巴胺的最佳方法。此方法可視為略氨酸酶氧化產(chǎn)生近似天然黑色素PDA的過程,目前已使用氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶和水解酶作為PDA聚合的催化劑。

2 聚多巴胺的納米結(jié)構(gòu)

鑒于聚多巴胺特殊的性能,針對(duì)不同的需要,聚多巴胺在不同條件下可以被制備出不同的納米結(jié)構(gòu)[12],基于不同的納米結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)制備出了更多不同類型的復(fù)合材料,下面小節(jié)對(duì)不同納米結(jié)構(gòu)的聚多巴胺進(jìn)行介紹,從而更好地了解基于PDA不同類型的多功能復(fù)合材料。

2.1 聚多巴胺納米片

考慮到PDA界面特性以及它們可組裝成更高階和復(fù)合結(jié)構(gòu)的能力,平面的高縱橫比Janus粒子(即納米片)得到了人們的廣泛關(guān)注。如圖1所示,De Leon[13]等開發(fā)了一種將Pickering乳液與接枝聚合相結(jié)合制備 Janus 2D氧化石墨烯(GO)納米片的簡便方法。制備出了單面帶有PMMA的Janus GO納米片以及對(duì)稱功能化的類似物,并對(duì)這些材料的化學(xué)、熱學(xué)、結(jié)構(gòu)、表面和界面特性進(jìn)行了表征,這項(xiàng)研究不僅為Janus納米片的制備提供了一種簡便的途徑,而且還可視化地展示了從氧化石墨烯表面生長聚合物的過程。Lin[14]等通過肽自組裝形成了有單層厚度的Janus二維結(jié)構(gòu),促使在相對(duì)表面上進(jìn)行雙功能化成為可能,因此納米片可以作為各種材料組分的基底,顯示不同反應(yīng)基團(tuán)表面的多功能性。此外還觀察到納米片表面的酶組裝可以增強(qiáng)催化活性,這便可以模擬在生物膜上發(fā)生的酶反應(yīng),有利于二維肽自組裝。因此研究學(xué)者們預(yù)計(jì)2D-Janus納米材料可以被設(shè)計(jì)成表面配體以激發(fā)廣泛的應(yīng)用,如藥物傳遞和生物電子傳感。

(a)Pickering乳液和接枝聚合相結(jié)合獲得Janus 2D氧化石墨烯(GO)納米片方案[13];(b)F6C11在苯丙氨酸和烴尾間自分類后自組裝成Janus納米片的示意圖及其納米片的TEM圖像[14];(c)Janus烷基-PDA納米片的反應(yīng)流程及其相應(yīng)的AFM圖像[15]圖1 基于二維納米片自組裝的例子

Sheng[15]等受貽貝啟發(fā)以自組裝的十八烷胺(ODA)雙分子層作為多巴胺聚合的反應(yīng)模板,研究了烷基聚多巴胺納米片的合成。其納米片具有兩親性,可以用來穩(wěn)定不混溶液體,并且可根據(jù)需要來選擇性地修飾納米材料表面。這項(xiàng)工作為制備聚合物Janus納米片提供一種新的策略,它可以應(yīng)用于表面改性、催化劑載體和引導(dǎo)自組裝等,為納米材料的改性和表面修飾提供了條件。迄今在制造聚合物和Janus納米片方面,較差的形態(tài)可控性和較低的后修飾限制了它們的應(yīng)用。因此,使用可擴(kuò)展的方法制造Janus聚合物納米片以及方便地操縱界面性質(zhì)是目前研究的關(guān)鍵目標(biāo)。

2.2 聚多巴胺納米顆粒

PDA-NPs(聚多巴胺納米顆粒)是基于PDA涂層技術(shù)開發(fā)的,通過將PDA聚合成納米級(jí)顆粒來擴(kuò)展其利用潛力,對(duì)聚多巴胺納米顆粒而言,尺寸對(duì)其物理性質(zhì)和生物活性都有影響。本質(zhì)上,PDA-NPs與PDA涂層具有相同的聚合機(jī)理,只是PDA-NPs的合成需要添加聚合物抑制劑來控制聚合速度和顆粒形態(tài)[16]。水-醇混合溶液是反應(yīng)中最常用的聚合物抑制劑,因此通過調(diào)整水和乙醇的配比可以改變PDA-NPs尺寸和尺寸分布。研究發(fā)現(xiàn)在乙醇體積分?jǐn)?shù)為25%～40%的混合溶劑中,可得到分散良好的PDA納米顆粒[17]?？傮w而言,PDA-NPs的合成可以通過調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)來控制,例如多巴胺單體用量、溶液pH值、聚合反應(yīng)時(shí)間、溫度等。但控制這種仿生多功能材料的粒徑、形狀和電子特性的因素仍然知之甚少。如圖2所示,Ju[18]等報(bào)道了一種通過用NaOH中和多巴胺鹽酸鹽,然后對(duì)多巴胺進(jìn)行自發(fā)的氧化,合成了尺寸可控的黑色素納米顆粒的方法。另外研究結(jié)果表明了聚多巴胺納米顆粒的粒徑隨pH值的升高而逐漸變小。

(a)NaOH中和鹽酸多巴胺,進(jìn)行自發(fā)的空氣氧化合成了具有尺寸控制的黑色素納米顆粒示意圖[18];(b)800 ℃ 的氮(或氬)環(huán)境中碳化聚多巴胺納米顆粒的類石墨納米結(jié)構(gòu)示意圖[20];(c)通過氧化劑誘導(dǎo)的多巴胺聚合形成多功能涂層(從左到右:玻璃、鋁、聚醚砜、尼龍和纖維素)[19]圖2 聚多巴胺納米顆粒的合成及應(yīng)用示意圖

Wei[19]等報(bào)道了一種通過氧化劑誘導(dǎo)的多巴胺涂層進(jìn)行表面改性的方法,這種表面改性方法與材料無關(guān)且具有多功能性。通過氧化劑誘導(dǎo)聚合,可在酸性、中性和堿性等水介質(zhì)中制備聚多巴胺涂層,因此許多堿性腐蝕性和pH敏感材料也可以在酸性或中性水介質(zhì)中被多巴胺改性。研究還發(fā)現(xiàn)高碘酸鈉或氯酸鉀等氧化劑會(huì)加速堿性水介質(zhì)中的聚合反應(yīng),氧化劑的加入提高了多巴胺在堿性水介質(zhì)中的反應(yīng)速度,因此這種氧化劑誘導(dǎo)的方法擴(kuò)展了聚多巴胺涂層的應(yīng)用范圍。此外,聚多巴胺不僅是一種具有良好光性能的多功能生物聚合物,而且還是可用于不同表面的多功能涂層平臺(tái),聚多巴胺的結(jié)構(gòu)和形成是一個(gè)十分具有研究價(jià)值的領(lǐng)域。在這項(xiàng)研究中,Yu[20]等首次報(bào)告了在800 ℃的氮(或氬)環(huán)境中碳化的聚多巴胺納米顆粒中觀察到類石墨納米結(jié)構(gòu),為聚多巴胺的分層堆疊結(jié)構(gòu)提供了明確的證據(jù),且分析聚多巴胺的層次結(jié)構(gòu)有助于了解它的形成。

受貽貝黏附的啟發(fā),PDA和PDA-NPs涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性、親水性和黏附性,PDA-NPs具有豐富的基團(tuán),幾乎可以使任何生物材料表面功能化,因此可為干細(xì)胞提供特定平臺(tái),通過調(diào)整合成條件或氧化方法,可以優(yōu)化PDA-NPs的直徑和形態(tài),以獲得更好的物理和化學(xué)性質(zhì)。在過去十年中,研究人員更多地關(guān)注PDA-NPs和PDA衍生NPs的抗菌、抗氧化/抗炎、電導(dǎo)率等特性。隨著對(duì)PDA-NPs特性的了解增加,可以合成具有特定生物功能的新型智能生物材料,以滿足生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的特定需求。

3 聚多巴胺納米材料在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,納米材料已逐步融入到了我們的生活應(yīng)用中,這也為聚多巴胺納米復(fù)合材料的制備提供了廣泛的市場(chǎng)前景。聚多巴胺與各種大小和性質(zhì)不同的納米結(jié)構(gòu)融合在一起,從而產(chǎn)生的新型多功能納米材料在納米醫(yī)學(xué),可應(yīng)用于癌癥治療方面,且有望成為新一代骨組織工程支架材料[21]。Chen[22]等報(bào)道了一種基于PDA和金屬有機(jī)框架(MOF)的結(jié)構(gòu)。利用兒茶酚基團(tuán)的螯合能力,在PDA粒子上沉積Fe2+離子,然后通過與三聚酸重復(fù)反應(yīng)進(jìn)行MOF殼的生長。所得材料具有較高的表面活性,因此可提供治療。Li等[23]將PDA與邊緣為Bi2Se3的兩層納米板制備為多功能復(fù)合材料,這里使用血清蛋白來確保納米結(jié)構(gòu)的膠體穩(wěn)定性,保護(hù)藥物不被快速降解,因其細(xì)胞毒性降低,因此,在抗癌治療中顯示出有效的性能。由于PDA可與過渡同位素和放射性同位素相結(jié)合,這一性質(zhì)也可應(yīng)用于重金屬方面(HgII、PbII、CuII)[24],其可被作為一種光熱劑,并與其他治療方法相結(jié)合用于提高治療的效果,因此,PDA廣泛被應(yīng)用于放射性同位素癌癥治療[25]。

DA中含有大量的鄰苯二酚、氨基等活性官能團(tuán),因此可以通過共價(jià)或非共價(jià)的方式將骨修復(fù)材料與生長因子結(jié)合起來,骨組織的再生能力隨著兩者結(jié)合力的增加而顯著提高。因此,多巴胺作為工程支架與細(xì)胞的連接橋梁,很大程度上克服了傳統(tǒng)醫(yī)療器械植入物帶給人的危害[26]。PDA 涂層在體外還表現(xiàn)出不同細(xì)胞類型的良好附著性和成骨分化。則Wu[27]等證明了 PDA 修飾的多孔二氧化硅支架在骨修復(fù)方面,顯示出了骨髓基質(zhì)細(xì)胞的增殖和分化,表明成骨特性增強(qiáng)。此外,PDA 涂層也已被證明可以積極刺激其他類型的骨相關(guān)細(xì)胞的活性,如小鼠成骨細(xì)胞和人成骨細(xì)胞。

4 總結(jié)與展望

納米科學(xué)技術(shù)有希望從根本上克服人類所面臨的能源損耗、身體健康和環(huán)境污染等重大問題,伴隨在納米材料研究領(lǐng)域的不斷探究,其在不同領(lǐng)域都受到了廣泛重視。

1)聚多巴胺可通過多巴胺的氧化自聚合被涂覆在基底表界面,因其超強(qiáng)黏附性、還原性及其良好的生物相容性,聚多巴胺及其衍生的復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于催化、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

2)聚多巴胺及其衍生的復(fù)合材料功能化克服了傳統(tǒng)納米材料改性時(shí)存在的二次污染等缺點(diǎn),且聚多巴胺納米粒子的官能團(tuán)可以和抗癌等藥物結(jié)合,達(dá)到包裹和釋放藥物的作用,因此這種生物啟發(fā)性涂層技術(shù)受到了醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注。

3)如今已經(jīng)有很多成功的例子可以證明這種通過對(duì)固體、膜或者納米材料等基底進(jìn)行表面改性制備出的新型多功能材料的重要地位,且目前人們還在不斷探索它的創(chuàng)新應(yīng)用,因此聚多巴胺納米材料的精準(zhǔn)合成與其性能關(guān)系的研究也具有十分重要的理論意義,通過合成創(chuàng)新,挖掘其應(yīng)用潛力已是研究者們的持續(xù)奮斗目標(biāo)。