韓雨健

（安徽理工大學 化學工程學院，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，具有良好的黏附性能。由于DA 中含有鄰苯二酚基團，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 絡合物（M-PDA）?；谶@些優(yōu)良性質(zhì)，PDA 被廣泛應用于生物、醫(yī)學、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、水凝膠等方面的應用，提出了現(xiàn)階段存在的問題，并對PDA 的未來發(fā)展進行展望。

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胞傳遞脈沖的化學物質(zhì)，對阿爾茨海默病[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)學獎。海洋無脊椎類生物貽貝可以分泌出具有強黏附性的蛋白質(zhì)[10]，WAITE 等[11]最先對這種黏附蛋白展開研究，通過先將黏附蛋白水解，再統(tǒng)計分析水解后產(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)，對幾乎所有的材料都具有很強的黏附性，同時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，如鄰苯二酚、胺、亞胺、羥基等，這些官能團可以發(fā)生邁克爾加成反應、靜電反應、席夫堿反應，使PDA 擁有對材料表面進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，進一步探究了DA 初始濃度及反應溫度與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行自聚合反應。此外，電化學聚合法制備PDA[17]以及乳液聚合法制備PDA[18-19]同樣是經(jīng)過驗證可行的方法?？傮w來說，PDA 的制備方法具有條件簡單、穩(wěn)定、綠色等優(yōu)點，但由于其在氧化還原反應中產(chǎn)生了許多復雜的中間體，其形成機理至今沒有明確。

2 聚多巴胺的結(jié)構(gòu)

在研究PDA 形成機理的最初階段，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)生歧化反應和反向歧化反應，并最終形成一種交聯(lián)聚合物，即PDA。但是這種合成機理還缺少足夠的實驗證據(jù)來證明。

BIELAWSKI 課題組[22]則認為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 主要是通過強的非共價作用（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]認為PDA 是由DA、5,6-二羥基吲哚啉（LDAC）及二酮衍生物通過共價作用聚合形成的雜聚體。HONG 等[24]則認為PDA 是非共價自組裝與化學共價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)生了上述的非共價鍵的自組裝，同時在共價鍵作用下也發(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一步提出共價聚合主要發(fā)生在反應前期，非共價作用主要發(fā)生在反應后期，即DA、DHI 等通過共價聚合形成高級低聚物后再通過非共價作用交聯(lián)形成PDA?？偠灾?，DA 初步氧化形成了多巴胺醌，是目前學者都公認的反應，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用

PDA 表面有大量活性官能團，有利于進行二次反應，還可以對Ag+、Fe3+、Cu2+等金屬離子進行吸附[30]。近些年，關(guān)于PDA 在涂層材料上的應用有著大量報道[31-32]，這些都表明了PDA 在材料表面的功能性修飾上具有獨特的優(yōu)勢。

PDA 可以通過共價和非共價作用力（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作用下，PDA 可以黏附在金屬及金屬氧化物的表面，對其起到很好的保護作用[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，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（N-CDs）和PDA 復合涂層，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。

對于含-NH2/-SH 的有機材料，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形成共價鍵，使PDA 涂層黏附在有機材料表面，從而改善有機材料的親水性。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 膜對亞甲藍（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 原纖維膜對油/水的分離中發(fā)現(xiàn)，膜的最大通水量可以達到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度、彈性和光熱轉(zhuǎn)換率等，在生物醫(yī)學、組織工程、材料科學等領(lǐng)域有著極大的應用前景。

XU 等[38]通過PDA 與Cu-CS 陶瓷顆粒相互作用生成PDA/Cu 絡合物，制備了PDA/Cu-CS 復合水凝膠，后通過對照檢測其對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 復合水凝膠具有一種特殊的“熱離子效應”，不僅可以利用光熱效應加熱Cu 離子達到快速有效抑制細菌生長的目的，還可以促進傷口的愈合和血管恢復，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）通過動態(tài)席夫堿反應化學交聯(lián)生成了復合水凝膠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)測復合水凝膠在溶菌酶環(huán)境下的熒光強度變化過程發(fā)現(xiàn)，熒光強度的降低和復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態(tài)監(jiān)測水凝膠的降解過程，為將來準確預測體內(nèi)的降解行為，避免過度進行動物研究提供了可能。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 水凝膠作為陽極材料應用在鋰電子電池（LIBs）上。PDA 層可以抑制副反應下引起的SEI 重復增厚現(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，這種復合水凝膠作為陽極材料具有容量高、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、硬度和黏膠強度在加入PDA 后得到改善。此外，通過研究復合水凝膠在不同pH 條件下釋放阿霉素（DOX）的情況發(fā)現(xiàn)，這種復合水凝膠具有pH 響應性，在pH=2.0 的環(huán)境下釋放的速度最快，對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用。

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

5 展望

聚多巴胺具有獨特的結(jié)構(gòu)，表面擁有許多活性官能團，同時幾乎可以黏附在任何材料的表面，表面的活性官能團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用前景。聚多巴胺碳化后可以產(chǎn)生具有高電導率的薄膜，在熱電材料領(lǐng)域具有很好的應用前景，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用存在以下等待解決驗證的問題：（1）聚多巴胺的聚合機理及吸附機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證，在體內(nèi)的生物相容性有待進一步研究。