梁建國，郝 紅，韋雄雄，曹亞虹，田忠社

（西北大學化工學院，陜西 西安710069）

聚酰胺－胺樹狀大分子的合成及應用

梁建國，郝 紅＊，韋雄雄，曹亞虹，田忠社

（西北大學化工學院，陜西 西安710069）

介紹了聚酰胺－胺（PAMAM）樹狀大分子的合成方法，如發(fā)散合成法、收斂合成法、發(fā)散收斂合成法等，并對各種合成方法的優(yōu)劣進行了分析。綜述了PAMAM樹狀大分子在藥物載體、表面活性劑、催化劑、生物傳感器和光化學器件等方面的應用。

聚酰胺－胺樹狀大分子；發(fā)散合成法；藥物載體

0 前言

PAMAM樹狀大分子是近年來國外開發(fā)的一種新型功能高分子，也是第一個被報道的具有三維立體球形結(jié)構(gòu)的樹枝狀高分子。它由初始引發(fā)核、重復單元組成的內(nèi)層、含有大量官能團的表面區(qū)域三部分構(gòu)成，由于其具有高度支化、高度對稱及表面含有大量官能團等獨特的結(jié)構(gòu)特點，廣泛應用于藥物載體、表面活性劑、催化劑、生物傳感器、光化學器件等領域［1］。

1 PAMAM樹狀大分子的合成方法

1.1 發(fā)散合成法

1985年，Tomalia等［2］首次利用發(fā)散法合成了PAMAM樹狀大分子以來，以其為基礎合成了具有各種結(jié)構(gòu)的樹枝大分子，目前已成為應用最廣泛的樹狀大分子。PAMAM 合成機理為從多功能基的引發(fā)核心（如乙二胺、胺、苯胺等）出發(fā)，與丙烯酸甲酯進行完全的Michael加成反應得到0.5代PAMAM樹狀大分子，然后用過量的乙二胺（EDA）與0.5代進行酯的酰胺化反應，得到1.0代PAMAM樹狀大分子［3］。不斷重復上述步驟，理論上可得到任意高代數(shù)的PAMAM樹狀大分子。圖1為采用發(fā)散法合成的以EDA為中心核的1.0代PAMAM樹狀大分子。

發(fā)散合成法是目前合成PAMAM樹狀大分子采用最多、最成熟的一種合成方法，具有反應條件溫和、反應迅速、選擇性高等優(yōu)點，其缺點是為了使末端官能團反應完全，防止下一級產(chǎn)物產(chǎn)生缺陷，在合成過程中往往使用了過量的EDA，而過量的EDA會殘留在PAMAM樹狀分子內(nèi)部的大量空腔中，導致分離和純化很困難。尤其在合成高代數(shù)的PAMAM樹狀分子時，由于受到空間位阻的影響，使得反應不完全，從而造成PAMAM樹狀分子產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷，影響相對分子質(zhì)量的單分散性。因此，該方法合成的關鍵在于精確控制分子鏈在空間的生長及產(chǎn)物的純化［4］。研究結(jié)果表明，由發(fā)散法合成的PAMAM樹狀大分子，在低代數(shù)下（3.0G以下）為敞開和相對疏松的結(jié)構(gòu)，而在高代數(shù)下（4.0G以上）則是表面緊密堆積的結(jié)構(gòu)［5］。

圖1 發(fā)散法合成PAMAM的路線Fig.1 Synthesis of PAMAM by divergent method

在合成高代數(shù)PAMAM樹狀大分子時，由于反應步驟過多，反應后產(chǎn)物的提純復雜，無法實現(xiàn)大規(guī)模合成。Majoros等［6］采用重復發(fā)散的方法，合成了以不同代數(shù)的聚丙烯亞胺樹形分子（POMAM）為核、PAMAM為殼的高代數(shù)混合樹枝狀聚合物，減少了反應步驟，保證了產(chǎn)物的質(zhì)量。2.0G、3.0G、4.0G 的POMAM分子表面分別含有16、32、64個伯胺基，在核上重復進行Michael反應和酰胺化反應就得到了不同代數(shù)的PAMAM殼。采用高效液相色譜（HPLC）、凝膠色譜（GPC）、核磁共振（NMR）、原子力顯微鏡（AFM）等對混合樹枝狀聚合物進行表征，其相對分子質(zhì)量、13C－NMR譜圖、流體力學直徑等接近理論值，分子顆粒大小均一，產(chǎn)物具有與PAMAM樹狀大分子相似的傳輸活性，且無生物毒性。

1.2 收斂合成法

收斂合成法是1990年Cornell大學的Fréchet等［7］提出來的，與發(fā)散法的合成順序正好相反，如圖2所示。它是從將要生成樹狀聚合物的最外層結(jié)構(gòu)部分開始，先構(gòu)造外圍分支，然后逐步向內(nèi)合成。王冰冰等［8］利用收斂法合成了具有32個末端基的扇形樹枝狀分子，它由2分子16個端基的扇形PAMAM樹枝狀分子組裝而成。通過對該樹枝狀大分子進行紅外光譜（FTIR）、1H－NMR、13C－NMR、基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜（Maldi－Tof）分析表明，其結(jié)構(gòu)與目標化合物相符合，而且分散單一，不存在缺陷。

圖2 收斂合成法生長示意圖Fig.2 Schematic diagram of convergent method

收斂合成法由于反應點數(shù)目有限，有利于反應完全，可以獲得單分散程度很高的產(chǎn)物，而且目標產(chǎn)物與合成體系中其他成分的結(jié)構(gòu)、性能差別較大，在提純和表征方面優(yōu)于發(fā)散法。但缺點是反應時間過長，同時隨著增長級數(shù)的增加，樹突的尺寸變大以后，在中心點的官能團所受的空間位阻將增大，阻礙反應的進一步進行。因此，到目前為此，幾乎沒有高代數(shù)的PAMAM樹狀大分子是通過收斂法合成的。

1.3 發(fā)散收斂結(jié)合法

發(fā)散收斂結(jié)合法是Fréchet等［9］在綜合了發(fā)散法和收斂法的特點后，提出的一種新的合成方法，如圖3所示。先用發(fā)散法合成一個高度枝化的PAMAM中心核，再用收斂法制得一個扇形結(jié)構(gòu)的高度支化單體，最后將支化單體接到PAMAM中心核上合成出樹狀大分子。這種方法合成出來的PAMAM樹狀大分子的端基官能團具有功能化。Aoi等［10］采用發(fā)散收斂結(jié)合法合成了一種具有表面嵌段結(jié)構(gòu)的兩親AB型樹狀大分子，具體步驟為：首先對中心核EDA進行半保護，以發(fā)散法合成非對稱型的PAMAM（2.0G）樹狀大分子，再分別與吡喃葡萄糖－D－葡萄糖酸內(nèi)酯和鄰苯二甲酸酐反應，得到A（親水性）和B（疏水性）兩種嵌段結(jié)構(gòu)的半球狀樹狀大分子，最后，脫除中心核上的保護基，以收斂法將A、B連接起來，形成球形樹狀大分子。紫外光譜分析表明半球表面的“糖衣”對蛋白質(zhì)受體具有明顯的識別功能，該物質(zhì)可作為細胞識別的生物醫(yī)學材料。

圖3 發(fā)散收斂結(jié)合法合成示意圖Fig.3 Schematic diagram of divergent－convergent method

2 PAMAM樹狀大分子的應用

2.1 在藥物載體中的應用

目前研發(fā)的新藥中大約有40%由于其水溶性和細胞膜通透性較差，導致生物利用度不高，被制藥行業(yè)所淘汰。而通過開發(fā)一種運載能力強的納米結(jié)構(gòu)分子載體的新型藥物傳輸技術(shù)能夠很好地解決這一類問題。因此，合成一種高效的納米結(jié)構(gòu)載體是解決此問題的關鍵。

PAMAM內(nèi)部具有疏水性的空腔結(jié)構(gòu)，表面含有大量的親水基團，藥物可通過疏水、靜電或氫鍵作用包載于空腔內(nèi)部，也可通過靜電、共價結(jié)合于表面形成復合物，從而增加藥物的溶解度，提高藥物的生物利用度。此外，PAMAM樹狀大分子這類非病毒載體沒有免疫原性，不會引起細胞的免疫反應，在體內(nèi)能適時降解且降解產(chǎn)物無毒，是一類很有潛力的藥物載體。

隨著人們對PAMAM樹狀大分子研究的深入，Duncan等［11］發(fā)現(xiàn)由于整代PAMAM樹狀大分子表面含有大量末端氨基，在生理pH條件下易于質(zhì)子化而帶正電，使其具有一定的細胞毒性。而用無毒性親水聚合物脂肪酸、聚乙二醇（PEG）等修飾PAMAM，通過控制PEG鏈的長度及其在樹狀大分子表面結(jié)合的密度，使細胞表面與樹狀大分子的接觸面積達到最小，可以顯著降低PAMAM的細胞毒性，同時可以提高生物相容性［12］。余沛霖等［13］合成了一種經(jīng)PEG表面修飾的PAMAM樹枝狀大分子可包裹33個抗癌藥物甲氨蝶呤（MTX）分子，比未經(jīng)PEG修飾的樹狀大分子載體具有更強的包裹能力，并具有一定的藥物緩釋功能，其細胞毒性也明顯偏低。

藥物從聚合物/藥物共價復合物中的釋放速率對提高藥物生物利用度起著重要的作用，而藥物釋放的速率取決于聚合物表面的空間位阻。Kurtoglu等［14］將布洛芬與4代PAMAM分別用酯鍵、酰胺鍵及肽鍵等連接，形成共價復合物。研究結(jié)果表明，酯基連接的共價復合物的水解受pH值影響較大，而氨基連接的復合物在不同pH條件下都很穩(wěn)定。當PAMAM與布洛芬直接由酯鍵、酰胺鍵連接時，由于空間位阻的影響，在組織蛋白酶B緩沖液和稀的血漿液中不會發(fā)生酶解而釋藥。而由肽鍵連接時，在組織蛋白酶B作用下48h藥物釋放40%。以相對分子質(zhì)量為5000的PEG為載體得到的前藥布洛芬－PEG在血漿液中12h布洛芬釋放65%。因此，PAMAM表面的空間位阻影響著藥物的釋放速度。

2.2 在表面活性劑中的應用

目前大部分油田已進入石油開發(fā)的中后期，為了提高采收率，通常采用注水采油、聚合物驅(qū)油、表面活性劑驅(qū)油等強化采油措施，使得采出液中乳液越來越穩(wěn)定，對破乳劑的性能要求更加嚴格，而傳統(tǒng)的破乳劑大多是用環(huán)氧化物制備的嵌段共聚物通過復配而得，在O/W/O和 W/O/W等多重乳液中運用，不僅用量大，而且脫水效果差，不能滿足油田生產(chǎn)的需要。因此開發(fā)一種具有新型化學結(jié)構(gòu)的高效破乳劑已成為油田開采中面臨的一項重要課題。

PAMAM是一種具有新型化學結(jié)構(gòu)的化合物，其作為表面活性劑與傳統(tǒng)的線形表面活性劑不同，隨著代數(shù)的增多，它接近于球形。分子中的碳氫鏈及甲基是親油基團，羧基和胺基是親水基團，能夠強烈地吸附油水界面，降低界面膜強度，促進界面膜破裂，達到油水分離的效果。隨著代數(shù)的增加及破乳劑質(zhì)量分數(shù)的增加，降低界面膜的能力增強［15］。

Zhang等［16］合成以PAMAM（3.0G）為核，環(huán)氧丙烷－環(huán)氧乙烷共聚物為樹枝的兩親共聚物，與天然表面活性劑相比，它具有良好的滲透性、較高的界面活性及空隙率。通過臨界膠團濃度（CMC）及表面張力（γCMC）的變化可知，當支鏈長度增加時，由于環(huán)氧丙烷鏈段的疏水作用增強，聚合物的親水性下降，導致聚合物的破乳能力下降，表面張力增大。

王瑜等［17］采用發(fā)散法合成了各代PAMAM樹狀大分子，經(jīng)除油性能實驗分析，3.0G的PAMAM在加入量為70mg/L時的除油效果最好，對含油污水的除油率可達到85.1%，其懸浮物質(zhì)量分數(shù)也從138mg/L下降到73mg/L，水質(zhì)清澈，無明顯懸浮物。隨著研究的深入，人們嘗試將具有能夠提高絮體沉降速度的一些納米級粉末包覆于PAMAM的內(nèi)部空間中，利用二者不同的除油機理來提高其除油率。王春磊等［18］將PAMAM與納米級的磁性四氧化三鐵粉末進行包覆研究，合成了一種新型的除油劑，并將其應用于油田污水處理。通過除油實驗表明，該除油劑既有大分子除油劑的絮凝除油效果，又具有納米四氧化三鐵的聚結(jié)沉降作用。在加入量為70mg/L時，可將孤四聯(lián)污水含油量從1273.6mg/L 降到35.7mg/L，除油率高達97.2%，懸浮物從145mg/L降到58mg/L，而現(xiàn)場使用的藥劑羅曼哈斯的除油率只有87.2%，經(jīng)適應性研究表明該除油劑對孤島三個聯(lián)合站的污水具有一定的適應性。

2.3 在光化學器件中的應用

許多研究小組已經(jīng)報道了大量帶有“供體”和“受體”功能基團的光捕集或具有天線效應的樹狀聚合物，該聚合物本身并不參與電子傳輸過程，而是作為電子“供體”與電子“受體”的平臺，通過功能基團的吸收和釋放電子，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的能量傳輸。Bojinov等［19］運用收斂法首次合成了以PAMAM為核，外層為1，8－萘酰亞胺熒光體的新型樹狀化合物。這種化合物表面功能化的“供體”染料（發(fā)藍光的1，8－萘酰亞胺）吸收光能并將能量傳遞至處于樹狀分子核心的“受體”染料（發(fā)黃綠色光的1，8－萘酰亞胺）。光譜分析可以看出，“供體”染料的發(fā)射峰與“受體”染料的吸收峰有95%以上的交叉，反映了二者之間存在能量轉(zhuǎn)移。外層熒光體的光發(fā)散強度下降了93%，而核中心熒光體的熒光強度增加了26倍，充分說明該化合物是一種高效的光捕集天線。

2.4 在催化劑領域中的應用

樹狀聚合物具有能夠嚴格控制分子內(nèi)部空腔、外部端基數(shù)目及分子之間尺寸等特性，可以根據(jù)不同的需要改變催化活性中心的位置，使其在催化劑領域中具有非常重要的應用。Albiter等［20］以端基為羥基的4.0G的PAMAM樹狀大分子為模板，包裹大約40個鉑原子，形成平均直徑為1.5nm的樹狀聚合物包裹納米粒子，將其分散于自制的硅凝膠基質(zhì)中，得到新型鉑類催化劑，分別在真空、O2和H2中驗證活化條件對催化劑活性的影響。結(jié)果表明，在H2環(huán)境中，鉑粒子比在真空和O2中更穩(wěn)定，直到溫度超過625K才出現(xiàn)燒結(jié)，而且用H2活化過的催化劑在反式丁烯異構(gòu)化反應中具有很好催化活性。

Endo等［21］分別將摩爾比為3/1、1/1、1/3的金、銀納米粒子與 PAMAM（3.0G、4.0G）的端胺基和PAMAM（3.5G、4.5G）的端羧基相連。紫外光譜顯示，金、銀粒子不僅僅是物理混合，而且還有合金形成。通過透射電鏡（TEM）觀察，銀粒子的平均直徑為7～10nm，金及合金粒子的直徑為3～4nm。在400nm處檢測其吸光度可知，催化劑對對硝基苯酚的還原反應有明顯的催化活性，當金、銀的摩爾比為3/1時，催化活性達到最大。說明金銀合金對催化劑的活性具有增強作用。

2.5 在生物傳感器中的應用

近年來，人們將具有電活性和分子識別功能的基團負載于樹狀聚合物的端基上，制成一種靈敏度高、穩(wěn)定性強、選擇性好的生物傳感器；還可以利用樹狀大分子結(jié)構(gòu)精確可控的特點，調(diào)節(jié)功能基團在大分子表面的密度，進而提高傳感器的靈敏度和有效性。Yin等［22］以 KAuCl4溶液、PAMAM（4.0G）、甲酸為原料，在超聲條件下將Au包裹于PAMAM中合成新型PAMAM/Au納米復合材料，并將其用于制造高靈敏度測量電流的葡萄糖生物傳感器。研究表明，該傳感器具有較高的靈敏度和可再生性，響應時間小于5s，線性范圍為0.1～15.8μM，并具有良好的穩(wěn)定性和選擇性。通過采用標準添加法評估該生物傳感器的適應性，實驗證明，該葡萄糖生物傳感器對測量人體血漿葡萄糖濃度具有極好的效果。

Siqueira等［23］利用層層組裝技術(shù)合成由PAMAM與單壁式納米管構(gòu)成的層層組裝薄膜。將具有電容性的電解液絕緣半導體（EIS）作為青霉素生物傳感器，而單壁式納米管滲透至樹狀大分子層中，該組裝薄膜顯示出極好的多孔滲透性。分別將EIS負載于PAMAM與單壁式納米管多層膜、PAMAM與聚對苯乙烯磺酸鈉形成的層層組裝薄膜上，并與將青霉素酶固定于EIS生物傳感器進行比較，測量各組中電容、電壓的大小。結(jié)果表明，EIS納米結(jié)構(gòu)對pH具有很高的靈敏度，各傳感器隨著青霉素濃度的增加其平能帶電壓向低電位轉(zhuǎn)變，青霉素濃度從5μM增大到25mM，EIS納米生物傳感器傾斜度達到116mV/十進制，而青霉素酶固定于EIS生物傳感器為83mV/十進制，說明PAMAM納米結(jié)構(gòu)組裝膜使得傳感器具有更高的靈敏度和更好的特性。

3 展望

PAMAM樹狀大分子獨特的結(jié)構(gòu)特性，使其在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生命科學、醫(yī)學、環(huán)境保護等領域具有廣泛的應用前景。人們對其性能的研究越來越重視，近年來發(fā)表的論文呈指數(shù)形式增加。然而，作為已經(jīng)商品化的3種樹狀大分子之一，由于在合成過程反應步驟過多、產(chǎn)物分離與純化過程繁瑣，使其成本居高不下，未能實現(xiàn)大規(guī)模的應用。因此，通過改善合成方法，使其能夠達到規(guī)模化的生產(chǎn)要求，降低生產(chǎn)成本將是未來研究的重要方向。相信在不久的將來，它將會在各領域中得到更多實際的應用。

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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

＊聯(lián)系人，haohong＠nwu.edu.cn