聚天冬氨酸的合成及應(yīng)用研究進(jìn)展

＊王鵬宇 劉源鑫 邱典 范少龍 張藝仙*

（1.紹興文理學(xué)院 浙江 312000 2.浙江新賽科藥業(yè)有限公司 浙江 312000）

聚天冬氨酸（PASP）是聚氨基酸的一種，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)主鏈上的肽鍵容易被微生物破壞，所以PASP具有可完全生物降解的特性。由于側(cè)鏈基團(tuán)是酰胺鍵，還可以通過(guò)引入各種烷基作為共酯或酰胺將天冬氨酸進(jìn)行改性，從而可以改變聚合物的特性將親水變?yōu)槭杷行宰優(yōu)殡x子等得到不同特性的聚合物和共聚衍生物。通過(guò)改性技術(shù)對(duì)PASP進(jìn)行改性后，官能團(tuán)更加多樣，應(yīng)用范圍也更加廣泛，如降解材料和農(nóng)業(yè)等方面[1]。除此之外，由于聚天冬氨酸對(duì)鈣離子具有良好的螯合能力，且無(wú)毒，可以生物降解，可以作為許多礦物鹽的防垢劑，改性后也可以用作防止金屬被腐蝕。在生物醫(yī)用方面，PASP以其良好的生物降解性、生物相容性，在醫(yī)藥、美容等方面也有廣泛的應(yīng)用。

本文從PASP及其衍生物的合成出發(fā)，對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者關(guān)于PASP應(yīng)用研究成果進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并且對(duì)PASP改性研究做出了展望。

1.聚天冬氨酸及其衍生物的合成方法

工業(yè)上合成聚天冬氨酸是通過(guò)在堿性條件下水解中間產(chǎn)物聚琥珀酰亞胺得到的[2-3]。根據(jù)所用原料的不同，合成方法主要分為天門冬氨酸法和馬來(lái)酸酐法。

（1）天門冬氨酸法。天門冬氨酸通過(guò)兩步機(jī)理熱縮聚得到聚琥珀酰亞胺，合成過(guò)程如圖1所示。第一步：兩個(gè)天門冬氨酸分別提供氨基和羧基，兩者脫水縮合成為酰胺鍵。第二步：酰胺鍵上的亞氨基與提供羧基分子的另一羧基脫水形成琥珀酰亞胺環(huán)[4]。聚琥珀酰亞胺在堿性條件下水解成為天冬氨酸鹽，隨后經(jīng)過(guò)洗滌中和、純化后得到聚天冬氨酸。

圖1 天門冬氨酸法制聚天冬氨酸[4]

（2）馬來(lái)酸酐法。馬來(lái)酸酐法主要以馬來(lái)酸酐和氨供體為原料生產(chǎn)PASP[5]，包括馬來(lái)酸在內(nèi)的二元羧酸類試劑也能夠作為原料，氨供體主要為氨水、氨氣以及部分熱解產(chǎn)生氨的物質(zhì)。馬來(lái)酸和尿素在磷酸催化下制備聚天冬氨酸的反應(yīng)為三步，如圖2所示。第一步：馬來(lái)酸和尿素通過(guò)開環(huán)反應(yīng)生成銨鹽；第二步：馬來(lái)酸銨鹽在磷酸催化下生成聚琥珀酰亞胺；第三步：聚琥珀酰亞胺通過(guò)在堿性條件下水解生成PASP。

圖2 馬來(lái)酸酐法制聚天冬氨酸[5]

（3）改性聚天冬氨酸阻垢劑的合成。為了拓展聚天冬氨酸的使用范圍，增強(qiáng)聚天冬氨酸的阻垢能力，以聚琥珀酰亞胺為原料，氮氨酸為改性試劑，制備改性聚天冬氨酸阻垢劑[6]。將反應(yīng)物在一定溫度下油浴，控制pH反應(yīng)一段時(shí)間后得到淡紅棕色溶液。精制洗滌數(shù)次，將所得產(chǎn)物放置在40℃真空干燥箱中干燥即得最終產(chǎn)物聚天冬氨酸的接枝共聚物。

（4）改性聚天冬氨酸緩蝕劑的合成。聚天冬氨酸具有良好的緩蝕作用，但是其所含基團(tuán)的單一，導(dǎo)致它的緩蝕性能相對(duì)較弱，為了克服聚天冬氨酸的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)，通過(guò)將氨基酸的功能基團(tuán)通過(guò)接枝作用接到天冬氨酸分子的側(cè)鏈上得到接枝聚合物[7]。以通過(guò)馬來(lái)酸酐法制成的天冬氨酸和L-賴氨酸為原料，用少量去離子水溶解后反應(yīng)，最終干燥后可以得到聚天冬氨酸的接枝共聚物。

2.PASP的應(yīng)用領(lǐng)域

（1）PASP用于阻垢劑。水是人類生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)，然而由于水垢的存在，水的質(zhì)量受到了影響，不僅如此，每年因水垢而造成的損失更是不計(jì)其數(shù)。因此合成出阻垢性能優(yōu)異，且綠色環(huán)保的阻垢劑十分重要。而PASP憑借其高效的阻垢率和綠色無(wú)污染的性質(zhì)被廣泛應(yīng)用在制備各種阻垢劑上。

穩(wěn)定與環(huán)保是阻垢劑不可或缺的兩大性質(zhì)。徐娜等[8]以馬來(lái)酸酐和NH3·H2O為起始原料，采用微波法合成聚琥珀酰亞胺，最后水解聚琥珀酰亞胺生成PASP。結(jié)果表明其阻垢率高達(dá)94%，該阻垢劑有效克服了含磷類和聚丙烯酸聚合物類阻垢劑會(huì)導(dǎo)致海水富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境污染問(wèn)題。

程玉山等[9]對(duì)PASP、苯并三氮唑（BTA）、鎢酸鈉和葡糖酸鈉進(jìn)行四元復(fù)合，結(jié)果顯示，在最佳配比下，其對(duì)HSN-70A銅的腐蝕率僅為0.0006mm/a，遠(yuǎn)小于GB 50050—2007《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》所要求的腐蝕率應(yīng)＜0.005mm/a的標(biāo)準(zhǔn)，且阻垢率高達(dá)99.22%。

（2）PASP用于緩蝕劑。緩蝕劑能夠延緩或阻止金屬在腐蝕介質(zhì)（如水、酸、堿等）中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而被破壞。PASP分子能夠吸附在金屬表面，并形成一層保護(hù)膜，大大提升緩蝕效果。因此，各種基于PASP改性的緩蝕劑也應(yīng)運(yùn)而生。

王曉慧等[10]開發(fā)出了同時(shí)具備低成本和高緩蝕率兩種特性的PASP/HA緩蝕劑。結(jié)果表明，該緩蝕劑相比于其他聚合物緩蝕劑，PASP/HA化合物僅在150mg/L的質(zhì)量濃度下的緩蝕率就達(dá)到了90%以上，在擁有優(yōu)秀的緩蝕性能的同時(shí)節(jié)約了成本。

姜亞玲等[11]以4-(氨甲基)吡啶為原料對(duì)PASP進(jìn)行改性處理，研究出的最佳配比的阻垢率為87.99%，緩蝕率高達(dá)98.12%。與PASP相比，其阻垢率和緩蝕率均有大幅度提升。改性后的PASP阻垢劑的極性基團(tuán)能夠有效的吸附在金屬表面，并形成一層保護(hù)膜，極大提升了金屬離子化的活化能。蓋潔超等[12]制備了一種可用于煤層氣井的酸洗緩蝕劑。該團(tuán)隊(duì)將PASP與烏洛托品、葡萄糖酸鈉、尿素進(jìn)行復(fù)配同時(shí)加入鐵離子協(xié)助穩(wěn)定，在最佳配比下緩蝕效率高達(dá)91.74%。

（3）PASP在醫(yī)療方面的應(yīng)用。由于PASP及其衍生物具有良好的生物相容性、易降解、易引入側(cè)鏈等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于藥物載體、人體組織修復(fù)等醫(yī)療方面。

①藥物載體。沈潔等[13]合成了一種名為PEEC（聚天冬氨酸-3,3-二氨基二丙胺-N,N-二甲基亞二丙基三胺-烷基胺）的新型藥物載體，并且研究了不同側(cè)鏈接枝率所形成的載體的載藥性能，結(jié)果表明在48h后載藥膠束的釋放率可達(dá)90%，證明該聚合物能夠有效釋放和運(yùn)載DTX，是一種性能優(yōu)異的藥物載體。

Sattar等[14]采用石墨烯納米片交聯(lián)聚天冬氨酸作為一級(jí)網(wǎng)絡(luò)，并以聚丙烯酰胺-共聚乙烯醇為二級(jí)網(wǎng)絡(luò)，制備出一種高效的水凝膠。該水凝膠具有優(yōu)異的物理性質(zhì)和生物相容性，石墨烯納米片交聯(lián)結(jié)構(gòu)可有效提高水凝膠的穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度，而聚丙烯酰胺-共聚乙烯醇網(wǎng)絡(luò)能增強(qiáng)水凝膠的吸水性和水解性，使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

②在醫(yī)療方面的其他應(yīng)用。Marasini等[15]利用一罐多元醇法制備出平均粒徑為2.0nm的聚天冬氨酸（PASP）涂附超細(xì)Gd2O3納米顆粒。該納米顆粒在3.0TMR場(chǎng)下表現(xiàn)出水-質(zhì)子縱向和橫向自旋松弛度分別為19.1s-1·mM-1和53.7s-1·mM-1，分別比商用GD-螯合造影劑高出約5倍和10倍。

PASP在協(xié)助傷口愈合方面也有一定的作用。Yang等[16]聚天冬酰肼（PAHY）與聚天冬氨酸（PASP）為原料合成了一種能夠修復(fù)復(fù)雜輪廓皮膚損傷的可注射自生物降解聚天冬氨酸水凝膠。通過(guò)在大鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該水凝膠具有優(yōu)秀的傷口愈合能力。

（4）PASP在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用。農(nóng)業(yè)是人類生存和發(fā)展的基石之一，它不僅可以滿足人類對(duì)于食物等生活必需品的需求，還能為環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和社會(huì)穩(wěn)定做出巨大貢獻(xiàn)。近年來(lái)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)PASP具有能夠增強(qiáng)植物光合作用、提高植物抗逆性等一系列優(yōu)點(diǎn)，并合成了許多能夠有效提高作物產(chǎn)量的化學(xué)試劑。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一定量的PASP能夠使多種農(nóng)作物增加產(chǎn)量。曹本福等[17]研究了施加聚天冬氨酸對(duì)烤煙生長(zhǎng)、產(chǎn)量以及礦質(zhì)養(yǎng)分吸收的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其中當(dāng)減少肥料為20%時(shí)聚天冬氨酸使用量以5%最佳。郭景麗等[18]對(duì)不同添加量的PASP對(duì)于玉米發(fā)芽的影響做了試驗(yàn)，研究結(jié)果表明一定量的PASP能夠?qū)τ衩桩a(chǎn)量起到促進(jìn)作用，當(dāng)PASP添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%～0.5%時(shí)，效果最好。

（5）PASP在傳感器方面的應(yīng)用。聚天冬氨是一種具有高度導(dǎo)電性和生物相容性的聚合物，因此可以作為電化學(xué)生物傳感器的電極材料。通過(guò)將聚天冬氨修飾于電極表面，可以提高傳感器的靈敏度和選擇性，從而檢測(cè)生物分子如蛋白質(zhì)、酶和DNA等。

楊志云等[19]以L-冬天酸胺為原料制備出了MPASPPAA/Fe3+水凝膠。當(dāng)該水凝膠應(yīng)用在柔性應(yīng)變傳感器時(shí)，不僅可以檢測(cè)擺臂、揮拳、跳躍等大幅度動(dòng)作，更能夠識(shí)別例如吞咽、發(fā)聲等微信號(hào)，具有敏捷反應(yīng)能力、良好的可重復(fù)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

PASP參與制備的傳感器能夠更加精準(zhǔn)的測(cè)定許多物質(zhì)的含量。Islam等[20]將PASP對(duì)碳糊傳感器（CPS）進(jìn)行修飾，制備出了聚天冬氨酸修飾碳糊傳感器（PAMCPS）。該傳感器用于西替利嗪（CN）存在時(shí)乙酰氨基酚（PRT）的檢測(cè)。

（6）PASP在礦石浮選方面的應(yīng)用。在礦石浮選過(guò)程中，礦物顆粒要與氣體或液體接觸并吸附，從而實(shí)現(xiàn)分離。PASP由于其具有極強(qiáng)的親水性和吸附性，它可以通過(guò)吸附作用降低礦物顆粒表面張力，改善礦物顆粒對(duì)氣體或液體的濕潤(rùn)性能，從而提高浮選效率。同時(shí)還能與礦物表面形成化學(xué)鍵，增強(qiáng)浮選劑與礦物顆粒之間的結(jié)合能力，進(jìn)一步提高浮選效率和分離選擇性。

Wei等[21]對(duì)PASP對(duì)黃銅礦和銅活化后的閃鋅礦的選擇性抑制作用進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明添加PASP組分的銅精礦的Cu的品位相較于未添加的PASP組分有顯著的提高，從15.51%提高到31.40%。

3.結(jié)束語(yǔ)

PASP目前主要通過(guò)天門冬氨酸法和馬來(lái)酸酐法合成，由于其分子鏈側(cè)基的大量羧基，PASP通過(guò)改性制備多種衍生物。PASP及其衍生物由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)有著廣泛的應(yīng)用，可以作為阻垢劑、緩蝕劑、藥物載體，甚至在農(nóng)業(yè)、傳感器和礦石浮選等方面也起到重要的作用。在今后的研究中，應(yīng)努力簡(jiǎn)化PASP及其改性條件，實(shí)現(xiàn)PASP的多功能化，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域，以促進(jìn)PASP及其衍生物在相關(guān)方面的應(yīng)用研究。