聚多巴胺的发现、反应原理及应用_彭浩南.pdf

Univ.Chem.2023,38(1),103110 103 收稿：2022-02-08；录用：2022-04-11；网络发表：2022-04-20*通讯作者，Email: 基金资助：国家自然科学基金(21972084,21820102005)知识介绍 doi:10.3866/PKU.DXHX202202011 聚多巴胺的发现、反应原理及应用聚多巴胺的发现、反应原理及应用 彭浩南1,*，李红2 1陕西师范大学化学化工学院，应用表面与胶体化学教育部重点实验室，西安 710119 2西安石油大学化学化工学院，西安 710065 摘要：摘要：聚多巴胺发现于2007年，引起了材料表面修饰领域的广泛关注。本文首先回顾了聚多巴胺的发现过程及其形成反应机理，进而阐述了聚多巴胺在传感、癌症光热疗法、催化领域的应用现状，最后，对该领域的未来研究和应用进行了合理展望。关键词：关键词：聚多巴胺；反应原理；应用 中图分类号：中图分类号：G64；O6 Discovery,Reactive Mechanism and Applications of Polydopamine Haonan Peng 1,*,Hong Li 2 1 Key Laboratory of Applied Surface and Colloid Chemistry of Ministry of Education,School of Chemistry and Chemical Engineering,Shaanxi Normal University,Xian 710119,China.2 College of Chemistry and Chemical Engineering,Xian Shiyou University,Xian 710065,China.Abstract:After the discovery in 2007,polydopamine has drawn much attention to the field of surface modification of the materials.This paper reviews the discovery process of polydopamine and its formation reactive mechanism,which further illustrates the application status of polydopamine in the field of sensing,cancer photothermal therapy,and catalysis,and the outlook of future research and applications.Key Words:Polydopamine;Reaction mechanism;Application 材料的表面修饰方法对于现代化学、生物学以及材料科学等学科的基础研究与实际应用都发挥着重要作用。目前常用的表面修饰方法包括自组装单层膜技术1、LB膜(Langmuir-Blodgett)沉积技术2、层层组装技术(layer-by-layer assembly)3和基因工程化的表面结合肽技术4等。尽管这些技术应用广泛，但是需要指出，这些技术仍然存在很多缺陷。例如自组装单层膜技术是建立在烷硫醇和金属或者硅烷和氧化物特定相互作用的基础上，LB膜技术需要复杂的仪器并且受限于基底的尺寸和形状，层层组装技术和基因工程化的表面结合肽技术则依赖于繁琐的多步骤操作。由此可见，亟需发展一种简单可行、普遍适用的表面修饰技术。多巴胺氧化自聚合反应由于在任意组成和形状的材料表面均能够通过一步反应制备功能化的聚多巴胺(polydopamine，PDA)薄膜，引起了广大科研人员的关注。与其他传统的聚合反应相比，该反应的反应条件温和、不需要使用额外的引发剂、在绿色溶剂水溶液中即可发生，因此成为基础与应用研究领域的一个“明星”反应。由于该反应被大量应用于材料的表面修饰以及纳米功能材料的制备，因此可作为大学化学专业本科物理化学课程中“表104 大 学 化 学 Vol.38面物理化学”和“胶体分散系统和大分子溶液”内容的延伸与拓展，促进学生对化学前沿科学研究的认知。1 多巴胺简介多巴胺简介 多巴胺(dopamine，DA)是一种存在于中枢神经系统中的儿茶酚胺类神经递质。其通过与受体作用调控机体的运动功能、精神活动、内分泌系统功能、心血管功能、胃肠道功能以及视网膜信息传递等5。1910年，人类首次实现了多巴胺的人工合成。1958年，瑞典科学家Arvid Carlsson提出多巴胺是一种重要的神经递质，脑内缺乏多巴胺会引起帕金森病(Parkinsons disease)6。然而在此之前，人们普遍认为多巴胺只是另一种神经递质去甲肾上腺素(norepinephrine)的前体。Arvid Carlsson发现多巴胺在大脑中的含量高于去甲肾上腺素，尤其是集中在脑部基底核区域，也就是机体控制运动机能的重要部位。进一步，美国科学家Paul Greengard揭示了多巴胺作为神经递质的作用机制，确定了突触作为神经细胞间联结的重要作用。美国科学家Eric Kandel则提出了神经系统中突触效能的修饰方法及其分子机制。三位科学家由于在“神经系统中信号传导”机理方面的突出贡献，共同荣获了2000年诺贝尔生理学或医学奖。近年来，多巴胺作为重要的材料表面修饰方法的构筑基元，由于其产物聚多巴胺具有易于制备和修饰、粘附性强、生物相容性、卓越的光热转换性能、荧光猝灭性等优点，在生物医药、传感、催化、能源、生物电子等诸多领域吸引了广泛关注。2 聚多巴胺的发现聚多巴胺的发现 贻贝具有很强的粘附能力，其分泌的粘附蛋白能够粘附在各种各样的基底材料上，甚至包括常见的非粘附材料聚四氟乙烯(图1a)以及潮湿环境下的固体表面如海床、轮船底部等。通过对贻贝粘附蛋白研究发现，其含有大量的3,4-二羟基苯丙氨酸(3,4-dihydroxyphenylalanine，DOPA)和赖氨酸的分子结构(图1bd)。其中，邻苯二酚与氨基基团通过多重共价及非共价作用与粘附基底形成强的相互作用，是贻贝超强粘附能力的根本所在7。2007年，受贻贝粘附蛋白的启发，美国西北大学的Haeshin Lee和Phillip B.Messersmith等人利用生物小分子多巴胺开发了一种简单的、普适性的表面修饰方法多巴胺氧化自聚合反应8。考虑到贻贝粘附蛋白中富含3,4-二羟基苯丙氨酸和赖氨酸结构，因此，他们采用同样含有邻苯二酚和氨基基团的小分子多巴胺，作为模仿贻贝粘附蛋白的反应前驱体。将基底材料沉浸在多巴胺的三羟甲基氨基甲烷(Tris，pH 8.5)的溶液中，其中多巴胺的浓度是2 mgmL1，随着反应的进行薄膜逐渐增厚，通过控制反应时间，可在几纳米到几十纳米范围内调节PDA层厚度(图1f，g)。该反应能够发生在任意形状和组成的基底上，例如金属(金、银、铂、钯)、氧化物(不锈钢、NiTi记忆合金、TiO2、SiO2、Al2O3、Nb2O5)、陶瓷(玻璃、羟基磷灰石)以及合成聚合物(聚苯乙烯PS、聚乙烯PE、聚碳酸酯PC、聚四氟乙烯PTFE、聚醚醚酮PEEK、聚氨酯PU)等。X射线光电子能谱(XPS)证实经过3 h的反应，不同基底表面的元素信号基本一致，证明基底表面修饰了相同的薄膜。并且材料表面的氮碳比均在0.1到0.13之间，与理论上多巴胺分子的氮碳比0.125接近。他们通过一系列的表征推测，邻苯二酚首先氧化为醌类，进而形成了聚多巴胺，与天然的黑色素合成过程相近。利用该方法制备的聚多巴胺具有邻苯二酚、氨基等活性基团，可以与金属离子发生配位反应，或者与含有氨基或巯基的分子发生迈克尔加成反应、席夫碱反应，从而对材料进行进一步的功能性修饰。由于操作简便、广泛适用性、易于修饰等优点，多巴胺氧化自聚合反应一经发现，立即引起了研究人员的广泛关注与推广，使得聚多巴胺微纳米材料得到了快速的发展。3 多巴胺氧化自聚合反应的原理多巴胺氧化自聚合反应的原理 尽管关于多巴胺氧化自聚合反应的机理及产物，学术界目前仍处于激烈的争论阶段。但是，学No.1 doi:10.3866/PKU.DXHX202202011 105者们普遍认同在多巴胺氧化自聚合反应的初始阶段，首先多巴胺发生自氧化反应生成多巴胺-醌，之后发生环化反应形成5,6-二羟基吲哚(DHI)聚多巴胺的重要前体9。但是，之后发生的形成聚多巴胺的过程非常复杂，当然目前聚多巴胺的真实组成也是不明确的。聚多巴胺组成和结构的表征之所以这么困难，主要是其不易溶解的特性引起的聚多巴胺在绝大多数的水中和有机溶液中均不能溶解。尽管如此，研究人员还是利用一些关于聚多巴胺的表征如核磁共振仪(NMR)、紫外-可见分光光度计(UV-Vis)、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、质谱等，试图揭示聚多巴胺结构的奥秘。目前关于聚多巴胺的组成主要有两方面的论点。3.1 自聚自聚-组装理论组装理论 最常见的假说认为聚多巴胺不是传统的聚合物，而是由各种前驱体的单体及其寡聚物组成的超分子聚集体，例如包含多巴胺-醌、5,6-二羟基吲哚、多巴胺以及真黑素类似物等，这些分子通过氢键、电荷转移、堆积、阳离子-相互作用等超分子相互作用进一步组装形成聚多巴胺。Dreyer等利用15N NMR、13C NMR以及晶体学技术，提出聚多巴胺是芳香环单体通过非共价相互作用堆积形成的类似于其他合成的或是生物的超分子聚合物10。Chen等采用实验与理论计算相结合，证明聚多巴胺是由5,6-二羟基吲哚的四聚体通过超分子组装形成的，二级结构之间的层间距是0.33 nm 11。在上述研究的基础上，Hong等发现在聚多巴胺内部还存在多巴胺单体，这些单体通过与氧化产物5,6-二羟基吲哚等寡聚物之间进行超分子组装，如T形相互作用、氢键、阳离子-相互作用，从而包裹在聚多巴胺之中12。进一步，他们指出2个多巴胺与1个5,6-二羟基吲哚通过超分子相互作用形成三聚体，并且包埋在共价交联的寡聚物内部共同参与棕黑色的聚多巴胺的形成(图2)。最近，Chai等利用基质辅助激光解吸电离质谱(MALDI-MS)分析在不锈钢表面形成的聚多巴胺膜，发现其主要包含质谱峰m/z是402，因此推测聚多巴胺主要是由DHI或者DA/DHI衍生的寡聚物组成13,14。图图1 a)贻贝粘附在聚四氟乙烯表面；贻贝粘附在聚四氟乙烯表面；b)贻贝足丝蛋白的示意图；贻贝足丝蛋白的示意图；c)粘附蛋白化学结构示意图；粘附蛋白化学结构示意图；d)Mefp-5粘附蛋白的氨基酸序列；粘附蛋白的氨基酸序列；e)多巴胺的分子结构；多巴胺的分子结构；f)多巴胺氧化自聚合反应过程示意图；多巴胺氧化自聚合反应过程示意图；g)聚多巴胺涂层的厚度随反应时间变化的情况聚多巴胺涂层的厚度随反应时间变化的情况8 106 大 学 化 学 Vol.38 图图2 多巴胺单体参与聚多巴胺形成的反应示意图多巴胺单体参与聚多巴胺形成的反应示意图12 3.2 高分子聚合理论高分子聚合理论 另一些研究人员则坚持认为聚多巴胺的组成就是传统的高分子量的聚合物。氧化、环化之后的聚多巴胺前体通过芳香环之间的共价连接形成典型的聚合物。起初，人们推测聚多巴胺的生成路径与生命体中真黑素的合成过程类似(图3)。多巴胺首先在碱性环境下氧化生成多巴胺-醌，其通过迈克尔加成反应发生分子内环化15，之后进一步氧化、分子重排从而形成5,6-二羟基吲哚。5,6-二羟基吲哚又易被氧化生成5,6-吲哚醌。这两种产物在2,3,4,7位置容易发生支化反应，生成丰富的二聚体，最终形成大分子量的寡聚物。之后，寡聚物通过邻苯二酚与醌之间的反歧化反应形成多重交联的聚合物。但是，上述聚多巴胺合成路线仅有傅里叶变换红外光谱进行初步的证实，需要更多的实验表征深入验证16。Liebscher等利用NMR、XPS、FTIR等实验手段证明5,6-二羟基吲哚和5,6-吲哚醌等前体通过苯环之间的碳碳键连接，