王筑城，魏玉函，王存國(guó)

(青島科技大學(xué)橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東省橡塑材料與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266042)

近年來(lái)，隨著合成技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，人們對(duì)環(huán)狀聚合物的研究從原先的環(huán)狀聚合物材料的基本性質(zhì)和理論模型的構(gòu)建開始轉(zhuǎn)向功能性環(huán)狀聚合物的合成，聚類肽又稱氮取代聚甘氨酸(N-Polyglycine)就是其中之一。對(duì)聚類肽研究最早的是Kukula等[1]科學(xué)家，早在1926年，率先對(duì)聚N-甲基甘氨酸(Poly N-methylglycine，PNG)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其存在于人體肌肉等部位，并發(fā)現(xiàn)了肌氨酸(Sarcosine N-carboxyanhydride，SNCA)在氮原子上缺少氫原子的情況下仍然會(huì)在吡啶作用下發(fā)生聚合等現(xiàn)象。1950年，Sun等[2]在上述研究基礎(chǔ)上有重大突破，合成出了一種易水解且取代基不同的N-羧酸酸酐(N-carboxylic anhydride，NCA)；1956年，Zhang等[3]發(fā)現(xiàn)了聚肌氨酸(PSar)的免疫原性極小的特點(diǎn)，從而開始了聚類肽的研究。21世紀(jì)初，PSar被合成出來(lái)，并開始應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)方面[4]，而且Kuemin等[5]研究了Sar-NCA的合成機(jī)理，并探索出了用固相法合成聚類肽的實(shí)驗(yàn)路線。

1 聚類肽的結(jié)構(gòu)

聚類肽結(jié)構(gòu)可以通過(guò)鍵與側(cè)基二級(jí)空間結(jié)構(gòu)的相互改變形成穩(wěn)定的一級(jí)空間結(jié)構(gòu),與一般聚肽通過(guò)鍵與氫鍵相互作用形成二級(jí)空間結(jié)構(gòu)不同,這是由于聚類肽沒有氫鍵相互作用決定的。經(jīng)過(guò)大量研究，了解到聚類肽PSar和其他非類似手性側(cè)基的兩類聚類肽同樣會(huì)表現(xiàn)出一種無(wú)規(guī)線性基團(tuán)構(gòu)象，具有類似手性側(cè)基的聚類肽，如聚脯氨酸，有PPⅠ和PPⅡ2種螺旋構(gòu)象。只要直接在這類聚類肽側(cè)鏈引入手性基團(tuán)，便得到類似的螺旋構(gòu)象。Guo等[6]利用R-NCA的開環(huán)聚合得到了許多手性基團(tuán)為側(cè)基的環(huán)狀和線性聚類肽，通過(guò)測(cè)試得知二者都具有螺旋結(jié)構(gòu)(見圖1)。

圖1 PPⅠ和PPⅡ2種螺旋構(gòu)象

2 聚類肽的合成方法

2.1 固相合成法

聚類肽的固相合成法由Dewey首先提出[7](見圖2)，具體步驟是在固定支架的肽鏈上加入含有氨基保護(hù)能力的氨基酸基團(tuán)制備規(guī)整序列的肽鏈。一些納米管狀材料由該方法制備，但操作步驟繁瑣，所需試劑昂貴，并且合成的肽鍵長(zhǎng)度也有局限。1992年，Simon等[8]提出了另一種亞單體合成法，簡(jiǎn)化了制備規(guī)整肽鏈的固相合成所需要的復(fù)雜步驟，使用該方法不僅提高了合成效率而且同時(shí)獲得了調(diào)控聚類肽序列的能力。亞單體合成法的合成過(guò)程(見圖3)分為兩步。(1)溴乙酸分子在N,N′-二異丙基碳二亞胺(DIC)的作用下，與承載溴乙酸的樹脂載體末端的仲胺發(fā)生?；磻?yīng)；(2)位于樹脂載體內(nèi)部末端的一個(gè)溴原子與伯胺發(fā)生SN 2親核取代反應(yīng)，使樹脂載體末端再次轉(zhuǎn)化為仲胺，繼續(xù)與溴乙酸發(fā)生乙酰化反應(yīng)。不斷重復(fù)上述2個(gè)過(guò)程可得到不同序列的類肽材料。

圖2 亞單體序列可控聚類肽的固相合成法

圖3 聚類肽亞單體固相合成法

2.2 開環(huán)聚合法

開環(huán)聚合法一般是指將NCA單體通過(guò)開環(huán)進(jìn)行聚合的方法(見圖4)，NCA開環(huán)聚合是目前合成大量聚類肽材料所使用的一種主要方法，具體是先合成開環(huán)聚合所用的原材料NCA，然后環(huán)狀NCA再進(jìn)行開環(huán)聚合。開環(huán)聚合法具有合成操作簡(jiǎn)便、合成產(chǎn)物產(chǎn)率高、可控性好等優(yōu)點(diǎn)，可以得到高分子量和窄分布的聚合物。1906年，Aubert首先合成了NCA[9]，后來(lái)，Bailey等[10]相繼合成出了高分子量的聚肽，從而引起了NCA的合成技術(shù)熱潮。時(shí)至今日，NCA已經(jīng)發(fā)展衍生出了嵌段、枝狀、星型等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，借助紅外光譜(FTIR)、差熱分析(DSC)和顯微鏡等測(cè)試方法，使人們對(duì)NCA合成多肽的合成機(jī)理和催化體系有了更深的認(rèn)識(shí)。

圖4 R-NCA的開環(huán)聚合

Zhang等[11]用引發(fā)劑NCA制備了環(huán)狀均聚和嵌段的聚類肽，并且研究了其聚合機(jī)理和物理性能。Luxenhofer與其同事使用固相載體引發(fā)開環(huán)聚合氮取代的NCA，并且研究了產(chǎn)物的溶解性、熱性能和生物相容性。因NCA五元環(huán)上有氫鍵供體(—NH—)存在，NCA極易吸收空氣中的水分而變得不穩(wěn)定。并且，NCA在聚合過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生使分子量分布(PDI)變寬的副反應(yīng)。在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，金屬硅酸鹽和金屬氧化物一直是主要的NCA合成所使用的催化劑和引發(fā)劑，并在引發(fā)酸酐聚合時(shí)發(fā)揮“堿催化”機(jī)理，作主催化劑進(jìn)行聚合時(shí)要具備特定的干燥或真空環(huán)境，這意味著催化劑對(duì)反應(yīng)條件的要求很高，必須在無(wú)水無(wú)氧的條件下進(jìn)行，且含有的金屬物質(zhì)會(huì)對(duì)之后的提純和生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用造成不利影響。Tao等[12]提出了一種使用伯胺作為引發(fā)劑引發(fā)NCA聚合的方法，得到分散性低、產(chǎn)率高的聚合物，但缺點(diǎn)是以此為催化劑的反應(yīng)速度較慢。之后，Hadjichristidis[13]提出使用伯胺作為引發(fā)劑，利用真空技術(shù)實(shí)現(xiàn)聚合，以此減少鏈轉(zhuǎn)移終止等影響，但真空條件要求十分苛刻，實(shí)用性較差。

自從20紀(jì)初首次合成了NCA，進(jìn)行了大量的研究，發(fā)現(xiàn)可以采取選擇含有烷氧羰基的氨基酸與部分鹵化試劑反應(yīng)或使用α-氨基酸與光氣混合后的聚合反應(yīng)(Fuchs-Farthing法)合成NCA。但由于光氣的毒性和污染性很強(qiáng)，而且光氣的儲(chǔ)存和控制對(duì)環(huán)境條件要求很苛刻，逐漸開始使用雙光氣和三光氣來(lái)替代，從而達(dá)到降低毒性的目的。目前，比較多的合成NCA的方法主要是采用側(cè)基被保護(hù)的氨基酸與二、三光氣在四氫呋喃(THF)中同時(shí)進(jìn)行反應(yīng)，制備具有氮-羧基結(jié)構(gòu)的環(huán)內(nèi)羧酐。該方法也有不少缺陷，最嚴(yán)重的是在NCA的合成過(guò)程中會(huì)有很多副產(chǎn)物產(chǎn)生，如鹽酸、氨基酸鹽酸鹽和異氰酸基酰氯等物質(zhì)，這些副產(chǎn)物會(huì)抑制甚至終止NCA的鏈增長(zhǎng)，從而對(duì)NCA的聚合過(guò)程產(chǎn)生很多不利影響。目前，NCA的純化方法比較統(tǒng)一，公認(rèn)采用重結(jié)晶的方法，如果制備少量的NCA，不采用重結(jié)晶法而用柱層分析法，同樣可以達(dá)到提純效果，即采用不同的氨基酸在不同溶劑中加入引發(fā)劑或催化劑方法，引發(fā)NCA開環(huán)聚合，進(jìn)而制備聚類肽材料。這種方法節(jié)約成本，可以控制分子量分布，而且分子的手性中心消旋化現(xiàn)象大幅度減少，便于聚氨基酸的合成與制備，但該方法合成的聚類肽也有缺陷，會(huì)導(dǎo)致分子序列特異性的減少和多肽單分散性的降低。

3 聚類肽的性能

聚類肽性能中比較重要的是聚類肽在溶劑中的溶解性，由于聚類肽分子結(jié)構(gòu)中氮原子上的氫被其他基團(tuán)取代，分子鏈間氫鍵的相互作用將不復(fù)存在，從而使聚類肽的溶解性得到大幅度提高。

Birke等[14]進(jìn)一步研究了碳原子數(shù)不同的烷基鏈取代基聚類肽的性能，測(cè)試聚類肽在不同烷基鏈取代后在溶劑中溶解性的變化。PSar可以看作是以1個(gè)碳原子作為取代基的聚類肽，有著很好的水溶解性，而且還發(fā)現(xiàn)PSar水溶解能力的上限無(wú)法被測(cè)得，甚至可以與水在一些特定條件下以任意比例互溶。碳原子數(shù)增多后，以2個(gè)碳原子為側(cè)基取代基的聚N-乙基甘氨酸(PNEG)的水溶性就會(huì)下降。當(dāng)碳原子增多到3個(gè)[即聚N-丙基甘氨酸(PNPG)]，以3個(gè)碳原子為側(cè)鏈，其水溶性更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如上述2種物質(zhì)。當(dāng)碳原子數(shù)增至4個(gè)，以4個(gè)碳原子為側(cè)鏈的聚N-丁基甘氨酸(PNBG)則完全不溶于水，該團(tuán)隊(duì)還測(cè)定了上述提及的聚類肽在其他溶劑中的溶解性。由此可見，隨氮原子上取代基的不同，聚類肽由于結(jié)構(gòu)上的差異會(huì)表現(xiàn)出不同的溶解性。PSar只可以溶解在極性很強(qiáng)的溶劑中，隨著側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)變化，聚類肽在極性一般的溶劑中也有了較好的溶解性。

由于從聚類肽結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)氮原子上沒有氫存在，所以聚類肽無(wú)法形成類似多肽的在氫鍵相互作用下的二級(jí)結(jié)構(gòu)。但聚類肽也有許多長(zhǎng)處，如聚類肽的側(cè)基可以被修飾，可以通過(guò)改變空間構(gòu)型，使其形成同樣穩(wěn)定的二級(jí)結(jié)構(gòu)。PSar在水溶液中的溶解性十分優(yōu)良，并且結(jié)構(gòu)會(huì)呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)線團(tuán)構(gòu)象。其結(jié)構(gòu)不同的原因是因?yàn)轷０锋I存在著順反異構(gòu)現(xiàn)象。因此，由以上可以推測(cè)出如果在側(cè)基引入手性基團(tuán)結(jié)構(gòu)，可能也會(huì)形成和上文類似的螺旋結(jié)構(gòu)。目前，對(duì)聚類肽的研究還處于起步階段，對(duì)PSar之外的材料的了解還不是很深刻，聚類肽的很多基本性質(zhì)還有待進(jìn)一步探究。

3.1 聚類肽的溶解性

溶解性是材料最重要的性質(zhì)之一，對(duì)作為可以應(yīng)用在生物醫(yī)用方面的聚類肽來(lái)說(shuō)就顯得更加重要。因?yàn)榫垲愲慕Y(jié)構(gòu)中沒有氫鍵作用，所以聚類肽在絕大部分溶劑中的溶解性都遠(yuǎn)好于聚肽。例如作為聚肽的谷甘氨酸的溶解性非常差，但作為聚類肽的PSar卻能夠很好地溶解在水和絕大多數(shù)極性溶劑中。

Song等[15]研究了不同長(zhǎng)度側(cè)鏈的聚類肽在溶劑中的溶解性，其中PSar的水溶性十分出色，甚至無(wú)法測(cè)量出其在水中的溶解極限。但是隨著基團(tuán)側(cè)鏈長(zhǎng)度的變長(zhǎng)，水溶性卻逐漸變差，例如聚乙基甘氨酸的水溶性還比較好，聚丙基甘氨酸的溶解性就較差，至于聚丁基甘氨酸則完全不溶于水。對(duì)于聚類肽在一些有機(jī)溶劑中的溶解性，研究發(fā)現(xiàn)取代基上有氮原子時(shí)，聚類肽在不同有機(jī)溶劑中的溶解性相差很大，例如PNEG可以溶解在絕大部分有機(jī)溶劑中，PSar可以溶解在強(qiáng)極性溶劑中，而PNBG只有在氯仿之中才能溶解。

3.2 聚類肽的抗菌性能

近年來(lái)，用于抵抗病菌的抗菌肽(Amtimicrobial Peptides,AMPs)越來(lái)越受到關(guān)注，抗菌肽是可以從生物體內(nèi)找到并提取出來(lái)的聚類肽，這意味著其生物相容性十分優(yōu)異，加之抗菌能力，使其越來(lái)越受到重視。但AMPs也有著諸如在生物體內(nèi)利用率低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差及結(jié)構(gòu)在循環(huán)時(shí)容易發(fā)生分解等缺點(diǎn)，從而限制了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用[16]。聚類肽與AMPs的分子結(jié)構(gòu)類似，主鏈結(jié)構(gòu)相同，并且具有比AMPs高得多的穩(wěn)定性，同時(shí)還兼有AMPs的優(yōu)點(diǎn)，比如廣譜抗菌性和抗耐藥性等。

2008年，Huang等[17]發(fā)現(xiàn)了一種含有陽(yáng)離子的抗菌聚類肽，該聚類肽分子具有螺旋結(jié)構(gòu)，這使得該抗菌肽的最小抑菌濃度(Minimal Inhibitory Concentration,MIC)和細(xì)胞毒性遠(yuǎn)低于一般聚類肽。2012年，Mojsoska等[18]報(bào)道了一種類似環(huán)狀抗菌聚類肽，抗菌性能優(yōu)異，還證明了具有螺旋結(jié)構(gòu)的環(huán)狀類肽的抗菌性能優(yōu)于不具有螺旋結(jié)構(gòu)呈線形的類肽分子。2015年，Statz等[19]合成了20種含陽(yáng)離子的抗菌型聚類肽分子，并系統(tǒng)性地研究了抗菌型聚類肽分子結(jié)構(gòu)，以及結(jié)構(gòu)中電荷分布對(duì)于聚類肽抗菌性能的影響。

3.3 聚類肽的溫敏性

Zhang等[20]在2012年首先制備出了具有溫度敏感性能的聚N-乙基甘氨酸-r-N-丁基甘氨酸，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了該聚類肽在水溶液中有著可逆相轉(zhuǎn)變行為和臨界溶解溫度行為(LCST)，并通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)聚類肽的結(jié)構(gòu)和聚合物濃度以及鹽離子都會(huì)對(duì)溫敏性產(chǎn)生影響；在其他結(jié)構(gòu)環(huán)境相同的條件下，環(huán)形結(jié)構(gòu)聚類肽比線型結(jié)構(gòu)聚類肽的溫敏性要低很多，并且還可以通過(guò)調(diào)節(jié)聚合物的組成和利用鹽溶和鹽析作用改變溫敏性，值得注意的是，物質(zhì)的分子量卻對(duì)溫敏性影響很小。

然而，Robinson等[21]卻提出了相反的意見，分析了諸如PNPG、聚N-烯丙基甘氨酸(PNAG)、聚N-異丙基甘氨酸(PNIPG)等一系列聚合物，得出了與以上相反的結(jié)論，即其分子量會(huì)對(duì)聚類肽溫敏性能產(chǎn)生很大影響。制得了一種聚肌氨酸-b-聚N-癸基甘氨酸(PSar-b-PNDG)，可以通過(guò)改變結(jié)晶度改變溫敏性的凝膠。這種以PSar-b-PNDG為基體的材料在室溫下的甲醇溶液中是以凝膠狀態(tài)存在，隨著溫度的升高，會(huì)逐漸溶解，當(dāng)溫度從高溫降低至室溫時(shí)，溶解的物質(zhì)又能轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。由此證明了PNDG具有結(jié)晶性，室溫時(shí)PNDG處于晶態(tài)，但晶區(qū)會(huì)隨著溫度升高而溶化，就會(huì)觀察到凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變。

3.4 聚類肽表面防污性

表面防污性是生物材料的重要特性之一，一般采用在材料的表面上進(jìn)行修飾提高表面防污性，也可以利用材料表面修飾防止表面吸附蛋白質(zhì)等物質(zhì)，從而減少細(xì)胞的非特異性黏附。Stayz等[22]首先使用了多巴胺衍生物將材料表面附著上聚類肽，從而研究聚類肽的防污性。先期使用寡聚N-甲氧乙基甘氨酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果較為理想，聚類肽表面防污的有效性可以持續(xù)約半年；但當(dāng)對(duì)不同側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的聚類肽進(jìn)行測(cè)試時(shí)，不同側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的聚類肽的防污性很差。另外，還研究了聚類肽材料在蛋白質(zhì)表面上的占比和聚類肽的聚合度對(duì)聚類肽防污性是否有影響，得出的結(jié)論是只有擁有一定數(shù)量重復(fù)單元的聚類肽才會(huì)有表面防污性。

3.5 聚類肽的生物相容性

由于聚類肽常被用在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，所以對(duì)生物相容性要求較高。聚類肽與聚肽性質(zhì)相似，其生物相容性也較好。Li等[23]對(duì)聚類肽的生物相容性進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)了聚類肽能夠抑制抗原在生物體內(nèi)的免疫性應(yīng)答，自身能夠在生物體內(nèi)穩(wěn)定存在；另外還研究了聚類肽的生物毒性，通過(guò)將人體細(xì)胞放在聚類肽中培養(yǎng)后成功存活，證明聚類肽有著極低的生物毒性。

3.6 聚類肽的自組裝

自組裝廣義上是指高分子與高分子間、高分子與小分子間或高分子與基底間產(chǎn)生的相互作用，依靠非共價(jià)鍵合而實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。自組裝的另一種說(shuō)法是組裝單元在氫鍵、靜電相互作用或者在范德華力等弱共價(jià)鍵作用下，自動(dòng)形成特定結(jié)構(gòu)的過(guò)程。生物體內(nèi)的自組裝現(xiàn)象十分普遍，是構(gòu)成各式各樣生命體的基礎(chǔ)。高分子材料的自組裝自20世紀(jì)中葉以來(lái)就越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注，相關(guān)研究也愈發(fā)成熟，并取得了很多突破，自組裝已經(jīng)成為制備具有規(guī)整結(jié)構(gòu)、功能性納米材料的主要手段。目前，涉及到的自組裝主要有兩親性嵌段共聚物的自組裝等。

聚類肽具有和蛋白質(zhì)相似的結(jié)構(gòu)特征，也和蛋白質(zhì)一樣有結(jié)構(gòu)可調(diào)控性，這意味著可以使用聚類肽制備功能化超分子組裝體，具有重要意義。Olivier等[24]合成了同時(shí)含有正電和負(fù)電基團(tuán)的聚類肽分子，而且這些分子有著不同疏水基團(tuán)序列，并使用這些聚類肽分子在水溶液中制備出了厚度僅為幾納米的超薄納米片結(jié)構(gòu)，又通過(guò)Langmuir-Blodgett film(LB)膜分析儀器研究了聚類肽自組裝過(guò)程。

Lahasky等[25]采用開環(huán)聚合方法制備了基于PSar的兩嵌段共聚類肽，在水溶液中制備了球形和圓柱形膠束，并且進(jìn)一步研究了時(shí)間對(duì)膠束形貌有無(wú)影響，發(fā)現(xiàn)靜電和分子內(nèi)氫鍵的相互作用會(huì)對(duì)超螺旋結(jié)構(gòu)的形成有重要影響。

自組裝的主要影響因素有聚合物的分子量、結(jié)晶性、溶液種類及溶液濃度等。另外，外界環(huán)境的變化也會(huì)對(duì)自組裝產(chǎn)生影響。比如外界溫度、濕度和光強(qiáng)等。聚類肽的自組裝動(dòng)力主要依靠聚類肽主鏈里的酰胺結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的偶極相互作用。在對(duì)自組裝行為的探索過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)許多共聚物都可以作為自組裝單元形成各種各樣的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，為自組裝的發(fā)展開辟了新途徑，比如氫鍵誘導(dǎo)大分子自組裝、靜電作用誘導(dǎo)大分子自組裝、剛性鏈誘導(dǎo)大分子自組裝、外界條件誘導(dǎo)大分子自組裝和結(jié)晶驅(qū)動(dòng)自組裝等。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)聚類肽的合成方法及性能進(jìn)行了綜述，詳細(xì)介紹了聚類肽的物理化學(xué)性能，如聚類肽的溶解性、抗菌性、聚類肽的溫敏性、表面防污性、生物相容性及自組裝等，但對(duì)聚類肽的研究還處于剛剛起步，更多的性能拓展和合成方法還有待進(jìn)一步探索，希望聚類肽早日開發(fā)和利用，并為人類所造福。