聚多巴胺的發(fā)現(xiàn)、反應(yīng)原理及應(yīng)用

彭浩南，李紅

1陜西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，應(yīng)用表面與膠體化學(xué)教育部重點實驗室，西安 710119

2西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，西安 710065

材料的表面修飾方法對于現(xiàn)代化學(xué)、生物學(xué)以及材料科學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)研究與實際應(yīng)用都發(fā)揮著重要作用。目前常用的表面修飾方法包括自組裝單層膜技術(shù)[1]、LB膜(Langmuir-Blodgett)沉積技術(shù)[2]、層層組裝技術(shù)(layer-by-layer assembly)[3]和基因工程化的表面結(jié)合肽技術(shù)[4]等。盡管這些技術(shù)應(yīng)用廣泛，但是需要指出，這些技術(shù)仍然存在很多缺陷。例如自組裝單層膜技術(shù)是建立在烷硫醇和金屬或者硅烷和氧化物特定相互作用的基礎(chǔ)上，LB膜技術(shù)需要復(fù)雜的儀器并且受限于基底的尺寸和形狀，層層組裝技術(shù)和基因工程化的表面結(jié)合肽技術(shù)則依賴于繁瑣的多步驟操作。由此可見，亟需發(fā)展一種簡單可行、普遍適用的表面修飾技術(shù)。多巴胺氧化自聚合反應(yīng)由于在任意組成和形狀的材料表面均能夠通過一步反應(yīng)制備功能化的聚多巴胺(polydopamine，PDA)薄膜，引起了廣大科研人員的關(guān)注。與其他傳統(tǒng)的聚合反應(yīng)相比，該反應(yīng)的反應(yīng)條件溫和、不需要使用額外的引發(fā)劑、在綠色溶劑水溶液中即可發(fā)生，因此成為基礎(chǔ)與應(yīng)用研究領(lǐng)域的一個“明星”反應(yīng)。由于該反應(yīng)被大量應(yīng)用于材料的表面修飾以及納米功能材料的制備，因此可作為大學(xué)化學(xué)專業(yè)本科物理化學(xué)課程中“表面物理化學(xué)”和“膠體分散系統(tǒng)和大分子溶液”內(nèi)容的延伸與拓展，促進學(xué)生對化學(xué)前沿科學(xué)研究的認(rèn)知。

1 多巴胺簡介

多巴胺(dopamine，DA)是一種存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì)。其通過與受體作用調(diào)控機體的運動功能、精神活動、內(nèi)分泌系統(tǒng)功能、心血管功能、胃腸道功能以及視網(wǎng)膜信息傳遞等[5]。1910年，人類首次實現(xiàn)了多巴胺的人工合成。1958年，瑞典科學(xué)家Arvid Carlsson提出多巴胺是一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)，腦內(nèi)缺乏多巴胺會引起帕金森病(Parkinson’s disease)[6]。然而在此之前，人們普遍認(rèn)為多巴胺只是另一種神經(jīng)遞質(zhì)去甲腎上腺素(norepinephrine)的前體。Arvid Carlsson發(fā)現(xiàn)多巴胺在大腦中的含量高于去甲腎上腺素，尤其是集中在腦部基底核區(qū)域，也就是機體控制運動機能的重要部位。進一步，美國科學(xué)家Paul Greengard揭示了多巴胺作為神經(jīng)遞質(zhì)的作用機制，確定了突觸作為神經(jīng)細(xì)胞間聯(lián)結(jié)的重要作用。美國科學(xué)家Eric Kandel則提出了神經(jīng)系統(tǒng)中突觸效能的修飾方法及其分子機制。三位科學(xué)家由于在“神經(jīng)系統(tǒng)中信號傳導(dǎo)”機理方面的突出貢獻，共同榮獲了2000年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

近年來，多巴胺作為重要的材料表面修飾方法的構(gòu)筑基元，由于其產(chǎn)物聚多巴胺具有易于制備和修飾、粘附性強、生物相容性、卓越的光熱轉(zhuǎn)換性能、熒光猝滅性等優(yōu)點，在生物醫(yī)藥、傳感、催化、能源、生物電子等諸多領(lǐng)域吸引了廣泛關(guān)注。

2 聚多巴胺的發(fā)現(xiàn)

貽貝具有很強的粘附能力，其分泌的粘附蛋白能夠粘附在各種各樣的基底材料上，甚至包括常見的非粘附材料聚四氟乙烯(圖1a)以及潮濕環(huán)境下的固體表面如海床、輪船底部等。通過對貽貝粘附蛋白研究發(fā)現(xiàn)，其含有大量的3,4-二羥基苯丙氨酸(3,4-dihydroxyphenylalanine，DOPA)和賴氨酸的分子結(jié)構(gòu)(圖1b–d)。其中，鄰苯二酚與氨基基團通過多重共價及非共價作用與粘附基底形成強的相互作用，是貽貝超強粘附能力的根本所在[7]。

2007年，受貽貝粘附蛋白的啟發(fā)，美國西北大學(xué)的Haeshin Lee和Phillip B. Messersmith等人利用生物小分子多巴胺開發(fā)了一種簡單的、普適性的表面修飾方法——多巴胺氧化自聚合反應(yīng)[8]?？紤]到貽貝粘附蛋白中富含3,4-二羥基苯丙氨酸和賴氨酸結(jié)構(gòu)，因此，他們采用同樣含有鄰苯二酚和氨基基團的小分子多巴胺，作為模仿貽貝粘附蛋白的反應(yīng)前驅(qū)體。將基底材料沉浸在多巴胺的三羥甲基氨基甲烷(Tris，pH 8.5)的溶液中，其中多巴胺的濃度是2 mg?mL?1，隨著反應(yīng)的進行薄膜逐漸增厚，通過控制反應(yīng)時間，可在幾納米到幾十納米范圍內(nèi)調(diào)節(jié)PDA層厚度(圖1f，g)。該反應(yīng)能夠發(fā)生在任意形狀和組成的基底上，例如金屬(金、銀、鉑、鈀)、氧化物(不銹鋼、NiTi記憶合金、TiO2、SiO2、Al2O3、Nb2O5)、陶瓷(玻璃、羥基磷灰石)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射線光電子能譜(XPS)證實經(jīng)過3 h的反應(yīng)，不同基底表面的元素信號基本一致，證明基底表面修飾了相同的薄膜。并且材料表面的氮碳比均在0.1到0.13之間，與理論上多巴胺分子的氮碳比0.125接近。他們通過一系列的表征推測，鄰苯二酚首先氧化為醌類，進而形成了聚多巴胺，與天然的黑色素合成過程相近。利用該方法制備的聚多巴胺具有鄰苯二酚、氨基等活性基團，可以與金屬離子發(fā)生配位反應(yīng)，或者與含有氨基或巰基的分子發(fā)生邁克爾加成反應(yīng)、席夫堿反應(yīng)，從而對材料進行進一步的功能性修飾。由于操作簡便、廣泛適用性、易于修飾等優(yōu)點，多巴胺氧化自聚合反應(yīng)一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，立即引起了研究人員的廣泛關(guān)注與推廣，使得聚多巴胺微納米材料得到了快速的發(fā)展。

圖1 a) 貽貝粘附在聚四氟乙烯表面；b) 貽貝足絲蛋白的示意圖；c) 粘附蛋白化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖；d) Mefp-5粘附蛋白的氨基酸序列；e) 多巴胺的分子結(jié)構(gòu)；f) 多巴胺氧化自聚合反應(yīng)過程示意圖；g) 聚多巴胺涂層的厚度隨反應(yīng)時間變化的情況[8]

3 多巴胺氧化自聚合反應(yīng)的原理

盡管關(guān)于多巴胺氧化自聚合反應(yīng)的機理及產(chǎn)物，學(xué)術(shù)界目前仍處于激烈的爭論階段。但是，學(xué)者們普遍認(rèn)同在多巴胺氧化自聚合反應(yīng)的初始階段，首先多巴胺發(fā)生自氧化反應(yīng)生成多巴胺-醌，之后發(fā)生環(huán)化反應(yīng)形成5,6-二羥基吲哚(DHI)——聚多巴胺的重要前體[9]。但是，之后發(fā)生的形成聚多巴胺的過程非常復(fù)雜，當(dāng)然目前聚多巴胺的真實組成也是不明確的。聚多巴胺組成和結(jié)構(gòu)的表征之所以這么困難，主要是其不易溶解的特性引起的——聚多巴胺在絕大多數(shù)的水中和有機溶液中均不能溶解。盡管如此，研究人員還是利用一些關(guān)于聚多巴胺的表征如核磁共振儀(NMR)、紫外-可見分光光度計(UV-Vis)、拉曼光譜、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、質(zhì)譜等，試圖揭示聚多巴胺結(jié)構(gòu)的奧秘。目前關(guān)于聚多巴胺的組成主要有兩方面的論點。

3.1 自聚-組裝理論

最常見的假說認(rèn)為聚多巴胺不是傳統(tǒng)的聚合物，而是由各種前驅(qū)體的單體及其寡聚物組成的超分子聚集體，例如包含多巴胺-醌、5,6-二羥基吲哚、多巴胺以及真黑素類似物等，這些分子通過氫鍵、電荷轉(zhuǎn)移、π–π堆積、陽離子-π相互作用等超分子相互作用進一步組裝形成聚多巴胺。Dreyer等利用15N NMR、13C NMR以及晶體學(xué)技術(shù)，提出聚多巴胺是芳香環(huán)單體通過非共價相互作用堆積形成的類似于其他合成的或是生物的超分子聚合物[10]。Chen等采用實驗與理論計算相結(jié)合，證明聚多巴胺是由5,6-二羥基吲哚的四聚體通過超分子組裝形成的，二級結(jié)構(gòu)之間的層間距是0.33 nm[11]。在上述研究的基礎(chǔ)上，Hong等發(fā)現(xiàn)在聚多巴胺內(nèi)部還存在多巴胺單體，這些單體通過與氧化產(chǎn)物5,6-二羥基吲哚等寡聚物之間進行超分子組裝，如T形相互作用、氫鍵、陽離子-π相互作用，從而包裹在聚多巴胺之中[12]。進一步，他們指出2個多巴胺與1個5,6-二羥基吲哚通過超分子相互作用形成三聚體，并且包埋在共價交聯(lián)的寡聚物內(nèi)部共同參與棕黑色的聚多巴胺的形成(圖2)。最近，Chai等利用基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜(MALDI-MS)分析在不銹鋼表面形成的聚多巴胺膜，發(fā)現(xiàn)其主要包含質(zhì)譜峰m/z是402，因此推測聚多巴胺主要是由DHI或者DA/DHI衍生的寡聚物組成[13,14]。

圖2 多巴胺單體參與聚多巴胺形成的反應(yīng)示意圖[12]

3.2 高分子聚合理論

另一些研究人員則堅持認(rèn)為聚多巴胺的組成就是傳統(tǒng)的高分子量的聚合物。氧化、環(huán)化之后的聚多巴胺前體通過芳香環(huán)之間的共價連接形成典型的聚合物。起初，人們推測聚多巴胺的生成路徑與生命體中真黑素的合成過程類似(圖3)。多巴胺首先在堿性環(huán)境下氧化生成多巴胺-醌，其通過邁克爾加成反應(yīng)發(fā)生分子內(nèi)環(huán)化[15]，之后進一步氧化、分子重排從而形成5, 6-二羥基吲哚。5,6-二羥基吲哚又易被氧化生成5,6-吲哚醌。這兩種產(chǎn)物在2, 3, 4, 7位置容易發(fā)生支化反應(yīng)，生成豐富的二聚體，最終形成大分子量的寡聚物。之后，寡聚物通過鄰苯二酚與醌之間的反歧化反應(yīng)形成多重交聯(lián)的聚合物。但是，上述聚多巴胺合成路線僅有傅里葉變換紅外光譜進行初步的證實，需要更多的實驗表征深入驗證[16]。Liebscher等利用NMR、XPS、FTIR等實驗手段證明5,6-二羥基吲哚和5,6-吲哚醌等前體通過苯環(huán)之間的碳碳鍵連接，并且提出寡聚物之間以平行或是反平行的方式排列的模型[17]。最近，Messersmith等通過原子力顯微鏡(AFM)輔助的單分子力譜(SMFS)從單分子水平證實了聚多巴胺中含有長達200 nm的聚合物單鏈分子，因此首次從單分子水平為聚多巴胺的聚合物本質(zhì)提供了直接的證據(jù)[18]。

圖3 聚多巴胺的形成過程與生命有機體中真黑素的合成路徑類似[15]

4 聚多巴胺的應(yīng)用

4.1 傳感

熒光傳感具有靈敏度高、選擇性好、不受散射光干擾等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于生物分子和金屬離子的檢測分析。聚多巴胺的吸收光譜幾乎覆蓋了整個紫外-可見光和近紅外光區(qū)域，因此是一種高效的熒光猝滅劑。聚多巴胺可以猝滅多種染料分子的熒光，如氨基甲基香豆素乙酸酯、6-羧基熒光素和6-羧基四甲基羅丹明等。Qiang等采用染料分子修飾單鏈脫氧核糖核酸(singlestrand DNA，ssDNA)，之后將其與聚多巴胺納米粒子結(jié)合，從而實現(xiàn)了所修飾染料分子的熒光猝滅[19]。待測物互補ssDNA由于能夠與上述染料修飾ssDNA結(jié)合，致使其從聚多巴胺納米粒子上脫離，從而恢復(fù)染料分子的熒光。利用該方法可實現(xiàn)的最低檢出限是0.1 nmol·L?1。在此基礎(chǔ)上，Ma等將異硫氰酸熒光素(FITC)修飾的ssDNA與多巴胺共混合，在沒有抗氧化劑存在時，兩種物質(zhì)會共組裝形成熒光猝滅型的聚多巴胺球；然而，當(dāng)抗氧化劑如抗壞血酸、谷胱甘肽、半胱氨酸等存在時，多巴胺的氧化自聚合反應(yīng)就會受到抗氧化劑的阻礙，從而有效地保留FITC的熒光性質(zhì)[20]。利用這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)對谷胱甘肽的有效監(jiān)測，線性單位是50 nmol·L?1–10 μmol·L?1，檢出限是16.8 nmol·L?1。聚多巴胺納米材料還被應(yīng)用于金屬離子的定量分析。例如，Wang等采用微等離子體誘導(dǎo)的電聚合方法制備了尺寸極小(3.1 nm)的聚多巴胺納米粒子，并成功實現(xiàn)U6+離子的傳感檢測，檢測限為2.1 mg?mL?1[21]。

4.2 癌癥光熱療法

癌癥嚴(yán)重威脅著人類的生命和健康。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，2007年全世界約有790萬人死于癌癥，占所有死亡人數(shù)的13%；并且預(yù)計到2030年將上升至1200萬人。每年在癌癥病人治療和護理方面的花費超過2000億美元，給社會和家庭帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。目前癌癥治療的關(guān)鍵問題仍然是開發(fā)高效、安全的癌癥治療方法。光熱療法(photothermal therapy，PTT)是利用光敏劑選擇性提高局部溫度的一種新興癌癥治療方法。這種療法通過使用高光熱轉(zhuǎn)換效率的光敏劑，將其注入人體內(nèi)部，并在外部光源(一般是近紅外光)的照射下將光能轉(zhuǎn)化為熱能以殺死癌細(xì)胞。與癌癥治療技術(shù)如化療相比較，光熱療法的治療效果只發(fā)生在腫瘤部位，有效避免了殺死正常細(xì)胞和破壞免疫系統(tǒng)的風(fēng)險，是一種非侵入性和高選擇性的癌癥治療方法。中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所的逯樂慧研究員首次報道了聚多巴胺具有很高的光熱轉(zhuǎn)換效率，可應(yīng)用于光熱療法的光敏劑(圖4)[22]。他們利用808 nm激光照射處理5 min，幾乎全部的聚多巴胺納米粒子給藥的4T1細(xì)胞和HeLa細(xì)胞都能夠被殺死。并且經(jīng)過10天的聚多巴胺納米粒子的光熱治療，能夠徹底消除4T1腫瘤型Balb/c小鼠的腫瘤組織。進一步，將聚多巴胺納米粒子與另外一種光熱劑吲哚青綠相結(jié)合，與單純的聚多巴胺納米粒子相比較，負(fù)載吲哚青綠的聚多巴胺-Fe3+納米粒子在低能量密度(808 nm，1.0 W?cm?2，10 min)激光照射下的近紅外吸收增加約6倍，溫度可達55.4 °C[23–25]。該方法能夠有效降低光熱療法中所用激光的能量密度，從而降低光強過高而引起的毒副作用。除了與另外一種光敏劑相結(jié)合，利用聚多巴胺包覆磁性納米粒子構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)，也能夠?qū)崿F(xiàn)增強的近紅外吸收和高效的局部熱效應(yīng)(> 50 °C)，從而有效治療癌癥[26]。最近，Xu等使用聚多巴胺包覆液體金屬制備了納米馬達[27]。納米馬達所負(fù)載的脲酶使其能夠在尿素驅(qū)動下進行定向運動，從而實現(xiàn)超聲和光聲成像指引的光熱和化療協(xié)同治療效果。

圖4 聚多巴胺納米顆粒應(yīng)用于光熱療法[22]

4.3 催化

聚多巴胺由于具有強粘附性、易于制備和修飾等優(yōu)點，常被用作酶、金屬納米粒子等催化劑的載體材料。例如，Wu等將葡萄糖氧化酶封裝在ZIF-8金屬有機框架中，并采用聚多巴胺對其進行包封，形成微米尺寸的聚集體，極大地提高了葡萄糖氧化酶的重復(fù)使用性能[28]。Chen等采用聚多巴胺包覆紅細(xì)胞，并將二者作為電池的陰極，成功實現(xiàn)了O2-H2O2級聯(lián)反應(yīng)的催化還原，為葡萄糖生物燃料電池的制備提供了新的方法(圖5)[29]。采用雙軟膜板方法，即利用1,3,5-三甲基苯和P123、F127兩種表面活性劑，可以在Fe3O4納米粒子表面修飾聚多巴胺得到磁性介孔納米花[30–32]。負(fù)載脂酶后的納米花能夠?qū)崿F(xiàn)87.9%的生物柴油轉(zhuǎn)化，6次重復(fù)使用后仍然可達71.3%的轉(zhuǎn)化率。進一步，研究人員將聚多巴胺強的光熱轉(zhuǎn)換性能與金屬納米粒子的催化作用協(xié)同，以提高催化效率。Mei等以聚合物納米球為模板組裝了多腔室結(jié)構(gòu)的Au@PDA納米反應(yīng)器，在近紅外光照射下，聚多巴胺進行光熱轉(zhuǎn)換促進金納米粒子的表面溫度升高，明顯增強了催化性能[33]。此外，聚多巴胺既含有酸性如酚羥基等基團，又含有堿性如伯胺和仲胺等基團，二者分別具有活化其他分子親核基團或是親電基團的能力，因此聚多巴胺自身也具有催化其他反應(yīng)的性能。Yang等證明聚多巴胺納米粒子可以催化CO2與單、雙取代的環(huán)氧化合物生成碳酸酯[34]。并且在KI存在下、140 °C和2 MPa條件下進行反應(yīng)，CO2和氧化丙烯的轉(zhuǎn)化率可達96%，為消除溫室氣體CO2提供了新的途徑。Pawar等發(fā)現(xiàn)聚多巴胺能夠在水溶液中催化苯并咪唑、喹喔啉以及氧化仲胺的合成反應(yīng)，具有類似胺氧化酶的催化性能[35]。

圖5 聚多巴胺包覆紅細(xì)胞新型催化體系應(yīng)用示意圖[29]

5 結(jié)語

在多巴胺的氧化自聚合反應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來的過去16年間，其對如表面修飾、生物醫(yī)藥、環(huán)境保護、催化、能源、生物電子等相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生了重要的影響。目前雖然對其反應(yīng)機理仍然存在較大的爭議但是并不影響科研人員對該反應(yīng)的推廣與應(yīng)用。除了厘清該反應(yīng)的機理與產(chǎn)物之間的關(guān)系，進一步的工作還要深入研究聚多巴胺的生物相容性與安全性，從而推進其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，更多研究應(yīng)該關(guān)注于多巴胺基微納米材料結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和功能的精準(zhǔn)調(diào)控，例如深入挖掘一步共組裝策略在新型納米材料的研發(fā)中的重要作用。聚多巴胺具有高度的可修飾性及與其他材料共組裝的性質(zhì)，因此可推廣應(yīng)用于多功能性微納米材料的構(gòu)建，例如癌癥診療一體化平臺以及多重酶活性的仿生酶的構(gòu)筑等。毋庸置疑，對于該反應(yīng)的深入開發(fā)與利用仍然會帶給人類更多的驚喜與期望。