聚多巴胺修飾納米SiO2顆粒

馬冠香，楊令，王亭杰

（清華大學化學工程系，北京 100084）

納米SiO2顆粒廣泛用于填料、涂料、催化劑、藥物載體等領域[1-3]。但是，SiO2納米顆粒表面能高、表面羥基多，顆粒之間易形成氫鍵，導致團聚，使其在聚合物基體中的分散性差，且與有機聚合物界面的相容性差，這限制了對聚合物納米復合材料的性能提高，所以，需要對SiO2顆粒表面進行改性[4-6]。

多巴胺（dopamine，DA）分子具有貽貝分泌的黏附蛋白結構中的兒茶酚和氨基官能團[7-8]，在堿性條件下，通過氧化自聚可在有機、無機多種材料的表面沉積，形成聚多巴胺（polydopamine，PDA）包覆層，PDA 具有黏附蛋白類似的超強黏附性能，是近期發(fā)展的一種新型表面改性方法[9-10]。

通過在納米SiO2顆粒表面包覆PDA 薄層，可以在納米SiO2表面負載特殊的官能團，改善其與聚合物的結合力，賦予復合材料特殊的性能[11-15]。一方面，利用PDA 優(yōu)異的黏附性和豐富的氨基、亞胺基、兒茶酚等官能團，可賦予納米SiO2顆粒表面功能特性；另一方面，利用PDA 表面的多官能團活性位點，可通過邁克爾（Michael）加成或席夫（Schiff）堿反應進一步與含有氨基、巰基或羧基的功能分子反應，豐富納米SiO2顆粒的表面功能性修飾。

1 PDA修飾的優(yōu)勢

目前，針對DA單體的自聚合及PDA形成機理有多種解釋[13-14]，關于PDA結構單元的形成已有廣泛共識，在堿性有氧的環(huán)境中，DA 脫去兩個酚羥基的氫質子，形成中間體氧化產(chǎn)物多巴醌及5,6-二羥基吲哚（DHI）[4]。關于中間體形成PDA 包覆層的途徑，主要有3 種解釋：①DA、多巴醌和DHI通過非共價（包括電荷轉移、氫鍵、π-π堆積等）組裝形成PDA[16]；②DA、多巴醌和DHI 通過聚合形成雜聚物PDA[17]；③DHI 通過氧化產(chǎn)生低聚結構，形成PDA，結構類似于真黑素[15,18]。也有研究報道，PDA 是通過共價聚合和非共價組裝兩種途徑共同作用形成的[19]。

相比于其他復雜的修飾方法，PDA 修飾過程溫和簡潔。一方面，PDA 包覆過程簡單，在水相室溫下一步即可自發(fā)完成修飾，PDA 可以在大多數(shù)金屬氧化物、貴金屬以及多種低能量表面（如聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚碳酸酯、石墨烯、碳納米管）形成表面包覆層。對于不同材料表面的化學成分，存在不同類型的相互作用機制，如兒茶酚-金屬配位、靜電相互作用、π-π相互作用、氫鍵和共價反應等，通過PDA 在材料表面的包覆，可賦予材料表面多功能特性；另外，PDA涂層由“單體”DA通過共價/非共價原位聚合形成，非常適合多孔材料內表面的原位修飾[20-24]。另一方面，PDA 可通過邁克爾加成或席夫堿反應進一步與含有氨基、巰基或羧基的功能分子反應，實現(xiàn)納米顆粒的進一步修飾，包括吸附或固定功能性納米粒子、金屬薄膜沉積、共價固定親核質子和接枝聚合物等。雖然PDA 包覆層的厚度、均勻性和穩(wěn)定性控制還需要進一步深入研究，但PDA 修飾方法普適高效，在研究和應用中具有很好的發(fā)展前景[25-27]。

2 PDA修飾納米SiO2顆粒

2.1 SiO2@PDA核殼納米顆粒

SiO2@PDA 核殼納米顆粒的制備主要是在堿性條件下通過DA 氧化自聚，在單分散SiO2顆粒表面形成PDA 包覆層。其一步法修飾路線如圖1 所示，采用傳統(tǒng)St?ber法，在乙醇、水、氨水和正硅酸乙酯（TEOS）反應體系中，預先制備均一粒徑的SiO2納米顆粒；再將一定量的SiO2納米顆粒和DA分散在三羥甲基氨基甲烷（Tris）緩沖液中，在室溫攪拌條件下反應，離心干燥后即可得到修飾的SiO2@PDA 核殼結構納米顆粒。其修飾過程為：①由于SiO2表面的羥基和DA分子氨基的氫鍵作用，溶液中游離的DA 分子不斷吸附在SiO2表面；②在堿性有氧條件下，DA 分子在SiO2顆粒表面不斷氧化自聚合，形成PDA 包覆層；③由于PDA 自身較強的黏附性，游離的DA分子在PDA層繼續(xù)黏附和沉積，最終在SiO2表層形成致密均勻且規(guī)整的PDA層，通過改變初始反應液中DA 的濃度或沉積時間，可調控PDA包覆層的厚度[11]。

圖1 SiO2@PDA核殼納米顆粒的制備

PDA 包覆層豐富的氨基、亞胺基、兒茶酚等官能團使核殼納米顆粒具有優(yōu)異的功能性，如將SiO2@PDA分散到聚乙二醇（PEG200）中，制備剪切增稠流體（STF），與未修飾SiO2相比，具有更顯著的剪切增稠效應，PDA 層的引入可降低臨界剪切速率，提高黏度，這種高性能STF可以用于防彈衣和其他安全防護材料[11]。Wang 等[28]將SiO2@PDA用做填料，以磺化的聚醚醚酮（SPEEK）為基體，制備了無水質子交換膜，SPEEK 與SiO2@PDA 表面的氨基形成酸堿對，提供了連續(xù)通道，促進了質子轉移。Tripathi 等[29]以SiO2@PDA 核殼顆粒為填料，以聚丙烯腈或聚酰亞胺等為有機基體制備超濾膜，納米顆?？梢跃鶆虻胤稚⒃诨w中，PDA 的引入明顯提升了SiO2顆粒與聚合物基體的相容性和分散性，還提高了濾膜的透水性及孔隙率[30]。將SiO2@PDA 顆粒用做航空級環(huán)氧樹脂基體的填料，可以顯著改善環(huán)氧基體的熱穩(wěn)定性和韌性[31-32]。Liu等[33]構建了SiO2@PDA 顆粒的三維非晶態(tài)陣列，顯示非虹彩結構顏色，在空氣中，不同厚度的SiO2@PDA 非晶陣列顯示恒定的顏色；而在水中，SiO2@PDA 陣列隨著厚度的增加，PDA 的深棕色不斷加深，可通過使用不同厚度的SiO2@PDA 陣列進行防偽加密。

SiO2因其在溶液中的均勻分散性和分散穩(wěn)定性，常被用做生物載體，用PDA 包覆SiO2，可以顯著提高SiO2@PDA 的分散穩(wěn)定性和生物負載性，如Xue 等[34]利用PDA 在紫外-可見（UV-vis）和近紅外（NIR） 區(qū)域有很強的吸收能力， 將SiO2@PDA 顆粒作為光電化學免疫檢測（PEC）探針傳感高效的信號猝滅劑，可提高CdTe 量子點探針信號猝滅的靈敏度，SiO2納米顆粒較弱的導電性和顯著的空間位阻效應，也有利于通過抑制電子轉移來猝滅PEC 探針信號，提高早期臨床診斷的敏感性。Deng 等[35]利用SiO2@PDA 復合顆粒的高靈敏度猝滅效應，開發(fā)了一種熒光比率法檢測生物液體中DNA 和蛋白質的技術。PDA 包覆SiO2也可作為優(yōu)良的控釋藥物載體[9,35]，Razavi 等[36]采用St?ber法制備介孔二氧化硅納米微球（MSNP），將谷氨酰胺負載在MSNP 中，再在DA 溶液中包覆一層PDA 膜層[37]，可以延長谷氨酰胺的穩(wěn)定釋放時間至14天。

2.2 SiO2/PDA的原位共聚復合顆粒

2.1節(jié)介紹了經(jīng)典的兩步法制備SiO2@PDA核殼顆粒的路線，即預先制備均一的SiO2納米顆粒，然后在SiO2表面包覆PDA，這種方法可以選擇不同粒徑的SiO2顆粒為核，并可對殼層厚度進行調控，可根據(jù)應用需求，制備SiO2@PDA 核殼顆粒，方法簡潔可控，已應用于多個領域。本節(jié)介紹一鍋法制備SiO2/PDA原位共聚復合顆粒的路線，將SiO2的前體TEOS和聚多巴胺的單體DA原位共聚，SiO2與PDA的一次粒子成核后，組裝成復合顆粒。

Ho 等[38]報道了SiO2/PDA 原位共聚復合顆粒的制備及應用。在由TEOS、DA、水和氨水組成的弱堿性（pH 8.5～10） 溶液中，通過調控反應物TEOS 和DA 的濃度及比例，控制溶液的初始pH 等合成參數(shù)，制得形態(tài)可控的SiO2/PDA 共聚復合顆粒。研究表明，在同時含有TEOS 和DA 時，DA（或PDA）結構中的氨基可以加速TEOS 的水解和縮合，使顆粒結構、形態(tài)與粒度發(fā)生顯著變化。Noonan 等[39]依據(jù)SiO2初級粒子形成與組裝的機理，設計制備了以SiO2顆粒為核心、SiO2/PDA共聚復合材料為殼層的SiO2@SiO2/PDA 復合核殼顆粒，并分析了SiO2與DA 共聚的機理。圖2(a)為合成路線，首先，在EtOH/H2O/NH4OH溶液中，在攪拌狀態(tài)下滴加TEOS，經(jīng)水解、縮合，獲得2～3nm 的初始SiO2粒子（Ⅰa）；隨初始粒子增加，達到臨界粒子濃度時，就會二次成核為SiO2團簇（Ⅱ）；在不同的時間點（如30min后）加入DA，DA在堿催化下迅速氧化聚合為PDA 的低聚物（Ⅰb）；而兩性離子型的PDA 寡聚體可以與帶負電位的SiO2顆粒靜電相互作用，使PDA 寡聚體和SiO2的初級粒子共聚到SiO2顆粒的表面，從而形成核殼結構的SiO2@SiO2/PDA（Ⅲ）。再通過N2氛圍的高溫碳化（Ⅳa）和堿刻蝕掉SiO2模板（Ⅳb），制得空心多孔碳球HMCS。圖2(b)、(c)為通過NaOCl 刻蝕除去PDA剩下SiO2組分的透射電鏡（TEM）圖，清晰顯示實心核和多孔殼的結構。通過調控DA加入時間和濃度，可調控SiO2核的尺寸和SiO2/PDA 殼的厚度，如圖2(d)、(e)。他們提出的SiO2/PDA的組裝機理，為其他SiO2/聚合物納米復合材料的設計和制備提供了新的思路。SiO2/PDA共聚復合涂層作為鈦植入物上與骨組織的銜接層[12]，可以解決骨組織和鈦金屬表面之間的黏合問題。

圖2 SiO2@SiO2/PDA復合核殼顆粒設計[39]

3 SiO2@PDA的表面二次功能化

3.1 SiO2@PDA表面修飾功能分子

PDA 具有高反應活性，可進一步接枝功能性聚合物，以提高納米復合材料性能。Le-Masurier等[40-41]制備了SiO2@PDA 核殼納米顆粒，采用疊氮化物封端做引發(fā)劑，五氟苯乙烯（PFS）為單體，與PDA表面的羥基和氨基反應，在SiO2@PDA的表面原位接枝了高密度的聚五氟苯乙烯（PPFS）高分子刷。Heng 等[42]以聚乙二醇甲基丙烯酸酯（PEGMA）為單體，過硫酸銨為引發(fā)劑，通過鏈轉移自由基聚合制備了氨基封端的poly(PEGMA)；通過PDA表面的邁克爾加成反應，在SiO2@PDA表面接枝聚合物制得SiO2@PDA@poly(PEGMA)，參見圖3。通過利用PDA表面的酚羥基和氨基的反應活性，將引發(fā)劑2-溴代異丁酰溴先固定到SiO2@PDA 材料表面，制得SiO2@PDA@Br，然后再通過單電子轉移自由基聚合法，將單體N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）原位聚合在顆粒表面，制得SiO2@PDA@poly(NIPAM)，可明顯提高其在極性和非極性有機溶劑中的分散性[43]。Tian等[44]以PEGMA和N-(3-氨基丙基)甲基丙烯酰胺（NAPAM）為單體，過硫酸銨為引發(fā)劑，通過自由基聚合制備poly(PEGMA-co-NAPAM)共聚物，然后再接枝到SiO2@PDA 顆 粒 表 面， 得 到SiO2@PDA@poly(PEGMA-co-NAPAM)復合物，與未修飾的SiO2顆粒相比，顯著增強了其在水溶液和有機溶劑中的分散穩(wěn)定性。

圖3 通過PDA表面包覆和邁克爾加成反應制備SiO2@PDA@poly(PEGMA)納米復合材料[42]

Huang 等[45]采用半胱胺鹽酸鹽作為鏈轉移劑，丙烯酸作為單體，通過鏈轉移自由基聚合法，使PDA 與氨基封端的聚丙烯酸（PAA）進一步結合，制備了SiO2@PDA@PAA 吸附劑，能顯著提高對亞甲基藍的吸附容量。通過在顆粒表面預先固定引發(fā)劑，利用α-溴異丁酰基與SiO2@PDA顆粒表面的羥基和氨基之間的酯化和酰胺化反應，制備具有功能化溴基團的納米復合材料，然后以水/甲醇為介質，通過表面引發(fā)原子轉移自由基聚合的方法，選擇添加不同的單體，如甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC）、(3-丙烯丙基)-氯化乙基氯化銨（APTCl），分別制備了功能聚合物修飾的復合納米顆粒SiO2@PDA@PDMC[46]和SiO2@PDA@PAPTCl[47]，作為有機染料的吸附劑，可以高效吸附水溶液中的剛果紅等染料，見圖4。

圖4 SiO2@PDA@PAPTCl的制備及電鏡圖[47]

3.2 SiO2@PDA表面沉積功能納米顆粒

貴金屬納米顆粒具有獨特的光學、催化和電化學等特性。但由于顆粒小、表面能高、易團聚、難以分離及回收利用等，應用受到限制。尋找合適的基材實現(xiàn)均勻穩(wěn)定地負載和分散納米顆粒，成為貴金屬納米顆粒應用的研究重點。SiO2納米顆粒制備簡單、價格低廉、易分離，是良好的載體，但其與金屬顆粒之間的黏附性較差，往往不能穩(wěn)定和均勻地負載。通過DA在SiO2顆粒表面自聚形成PDA 包覆層，利用PDA表面獨特的黏附性和還原性，及氨基、酚羥基對金屬離子的吸附作用，可在無還原劑情況下，表面吸附或原位還原負載金屬納米粒子。

Ag 納米顆粒的生物毒性相對較低，是有效的抗菌藥物，其抗菌活性與其納米尺寸密切相關，尺寸越小，抗菌活性越好，而在實際應用中，由于Ag 納米顆粒的聚集，導致其抗菌活性減弱。Wang等[48]利用SiO2@PDA 作為黏附性載體，在硝酸銀和氨水體系中加入SiO2@PDA，并加入葡萄糖作為還原劑，在顆粒表面形成了連續(xù)致密的金屬銀殼層，而且其連續(xù)性和厚度可控，這為后續(xù)SiO2表面無電鍍沉積多種金屬提供了啟發(fā)。Zhang 等[49]先制備了SiO2@PDA@Ag 核-殼-衛(wèi)星形態(tài)的納米復合材料，見圖5，由于Ag 和PDA 都可以和硫醇反應，在其表面接枝疏水的硫醇硅烷，同時利用PDA 的超黏附性和荷葉的表面凸起仿生結構，在溫和條件下，制備了超疏水顆粒。Yang 等[51]通過原位還原Ag+的方式，將SiO2@PDA 加入含有硝酸銀的溶液中，在其表面沉積了更加致密的金屬Ag 殼層，并進一步包覆PDA，制備了SiO2@PDA@Ag@PDA 的復合物，并將其與聚二甲氧基硅烷復合，可通過最外層PDA 的厚度變化調控復合納米材料的電導率、介電常數(shù)和介電損耗。Dong 等[50]和Guo 等[52]制備了SiO2@PDA@Ag 核-殼-衛(wèi)星形態(tài)的納米復合材料，用于抑制細菌生長，獲得了長效的抗菌活性。Shi等[53]將SiO2@PDA@Ag 核-殼-衛(wèi)星形態(tài)的納米復合顆粒，用于表面增強拉曼散射的活性基底，解決了單純用銀顆粒易團聚、間距不可控及穩(wěn)定性差的問題，能夠顯著提高拉曼檢測的靈敏度。

圖5 SiO2@PDA@Ag的合成及其表征圖[49-50]

貴金屬Au和Pd也可采用這種環(huán)境友好的方法進行負載。Lai 等[54]通過原位還原氯金酸制備了SiO2@PDA@Au核殼結構納米顆粒，將這種金納米探針應用于超靈敏的非酶電化學免疫分析，取得了更好的效果，拓展了其在診療臨床醫(yī)學中的應用。Bao等[55]利用Au—NH2鍵的結合特性，以SiO2@PDA@Au為載體，將第二抗體（Ab2）結合在Au 納米顆粒上，制得SiO2/PDA@Au-Ab2信號關閉型光電化學免疫傳感器。Xing 等[56]將Ab2黏附在SiO2/PDA 表面，利用Ab2與Au 的結合性能，將SiO2/PDA-Ab2與含Au 的還原氧化石墨烯功能納米顆粒復合，制成具有電化學發(fā)光免疫的傳感器，用于胰島素檢測。閆孟飛等[57]利用PDA的黏附性和還原性，在表面負載納米金顆粒，獲得分散性優(yōu)良的SiO2@PDA@Au 復合催化劑，對亞甲基藍的還原反應具有較好的催化活性，催化劑顆粒循環(huán)穩(wěn)定性良好。Veisi 等[58]用DA 對硅凝膠顆粒進行表面包覆改性，制得SiO2@PDA 納米顆粒，并在表面吸附Pd 離子，被PDA 還原為金屬Pd，制備了具有高催化活性的SiO2@PDA@Pd納米顆粒。

4 結語

PDA 包覆修飾法具有工藝簡單、易于實現(xiàn)表面二次功能化等優(yōu)勢，為納米SiO2顆粒的修飾改性和與聚合物基體復合應用提供了新方法。PDA 包覆包括兩種：①顆粒表面包覆制備SiO2@PDA 核殼納米顆粒；②TEOS 與DA 原位共聚體系中制備SiO2/PDA復合顆粒。通過調節(jié)前體濃度、單體加入時間、反應時間、溶劑pH 等，可有效調控SiO2顆粒表面PDA包覆層厚度以及SiO2@PDA共聚復合顆粒的大小、形態(tài)及組分。一方面，高附著力和親水性PDA 修飾層可顯著增加SiO2納米顆粒與聚合物基體的相容性和分散性，可用于制備選擇性過濾膜、質子交換膜、剪切增稠流體、Ti植入體的銜接涂層、空心多孔碳等復合材料；利用PDA 優(yōu)異的生物相容性和猝滅效應等特性，可將SiO2@PDA 用于生物傳感、免疫分析等納米醫(yī)學領域。另一方面，利用PDA 的黏附性及活性基團，實現(xiàn)顆粒表面二次功能化設計：①接枝含不同基團的聚合物，制備SiO2@PDA@聚合物顆粒；②還原金屬納米顆粒（鍍Ag、Au、Pd等），進一步賦予SiO2納米顆粒特殊的多功能性，拓寬其在傳感、吸附、催化、抗菌等領域的應用。

雖然SiO2@PDA 的制備及二次功能化修飾取得了顯著的研究進展，具有非常好的發(fā)展?jié)摿?，但以下問題仍然需要開展深入研究：①多巴胺價格較高，影響其在材料領域的廣泛應用，可以尋找價格低廉的替代分子。聚多巴胺在生物醫(yī)學中應用的安全性還有待核定，其在動物和人體內的吸收、代謝途徑等尚不清楚。②多巴胺與SiO2納米顆粒的表面反應機制、沉積動力學、多巴胺的聚合機理和化學結構。到目前為止，PDA 在納米材料表面的聚合機理還缺乏系統(tǒng)完整的解釋，PDA 的沉積過程受溶劑、pH、溫度的影響及其降解機理還需深入研究。③精確控制多巴胺在SiO2納米顆粒表面的包覆過程，避免形成PDA 納米顆粒。避免在存儲、運輸過程中聚集，便于規(guī)?；a(chǎn)和應用。④通過二次修飾，進一步提高SiO2@PDA 顆粒的分散性和功能性，如在生物免疫治療領域的應用，也是未來非常有前景的研究方向。