多巴胺在粘合劑上的研究進(jìn)展

趙雙琪，王克敏

（1.湖北工程學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖北 孝感 432100；2.常州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州 213164）

多巴胺在粘合劑上的研究進(jìn)展

趙雙琪1，王克敏2

（1.湖北工程學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖北 孝感 432100；2.常州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州 213164）

多巴胺（DOPA）是海洋貽貝等生物分泌黏液的重要組成部分，它具有很強(qiáng)的粘附性 ， 不僅可以粘附在無(wú)機(jī)材料表面 ， 也可以粘附在有機(jī)材料表面。本文綜述了多巴及其衍生物粘附機(jī)理的研究和它們?cè)诟黝I(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。

多巴胺；粘附性；進(jìn)展

海洋貽貝生物屬于軟體動(dòng)物門(mén)瓣鰓綱，絕大多數(shù)屬于貽貝科，這種生物在沿岸和近海地區(qū)是普遍存在的，尤其是在冷水海域貽貝生物分布的更加密集。雖然貽貝類(lèi)生物可以強(qiáng)有力的附著在礁石上是非常普遍的現(xiàn)象，但是直至20世紀(jì)人們才對(duì)貽貝類(lèi)生物的足絲粘附蛋白開(kāi)始進(jìn)行比較深入的研究。

1 多巴胺的粘附機(jī)理

貽貝粘附蛋白粘合劑是通過(guò)提取海洋中的貽貝類(lèi)的足絲蛋白中的有效粘附成分制成的，貽貝類(lèi)生物的足絲結(jié)構(gòu)如圖1所示，這種生物的足絲腺分泌足絲，其中分泌的足絲的末端可以形成一個(gè)粘附盤(pán)狀組織，通過(guò)這種組織可以使貽貝生物在海洋潮汐作用和巨浪的反復(fù)沖刷下緊緊的附著與礁石上。而這種粘附盤(pán)組織的主要成分就是足絲蛋白，這種蛋白具有高防水性、高韌性和高強(qiáng)度[1]。同時(shí)由于人體組織是體液環(huán)境下存在的，所以該粘合劑的防水性能具有很大的應(yīng)用前景[2]。

圖1 貽貝生物足絲的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of mussels bussus

足絲粘附蛋白有好多種，但是他們共同的特點(diǎn)就是都含有非常豐富的二羥基苯丙氨酸（DOPA，多巴）[3,4]，其中最先被發(fā)現(xiàn)的Mefp-1的DOPA含量有11%（摩爾百分比）[5]。DOPA含量最少的Mefp-4也有2%，含量最多的Mefp-5粘附蛋白中DOPA的含量高達(dá)30%[6,7]。

貽貝粘附蛋白粘合劑作用原理是通過(guò)一種聚酚蛋白來(lái)提供有效的粘接基團(tuán)，該種聚酚蛋白一般分子質(zhì)量在130 kDa左右，該種蛋白富含帶有羥基的氨基酸，其中含有大量的羥基化酪氨酸，形成二羥基苯丙氨酸的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)就是多巴，該結(jié)構(gòu)對(duì)于其粘接性能起到了至關(guān)重要的作用，這種結(jié)構(gòu)在提供強(qiáng)大的粘接性能的同時(shí)也提供了對(duì)于多種表面的結(jié)合的性能，使其對(duì)于多種物質(zhì)都存在粘接性能，具有獨(dú)特的功能。

DOPA基團(tuán)對(duì)于多種表面都具有粘附性能，其粘附機(jī)理也不盡相同，DOPA中的鄰苯二酚基團(tuán)本身可以與金屬離子形成非常強(qiáng)大的絡(luò)合鍵；同時(shí)還可以與基材表面形成不可逆的有機(jī)金屬絡(luò)合物或與表面帶有羥基的基材形成化學(xué)鍵；又由于其酚羥基是一種具有很強(qiáng)極性的基團(tuán)，所以可以與有機(jī)物如蛋白質(zhì)、多糖等聚合物相互形成氫鍵。而且DOPA是一種很容易被氧化的基團(tuán)，DOPA氧化后會(huì)生成鄰位二醌，由于這種結(jié)構(gòu)非常不穩(wěn)定會(huì)和羥基、氨基或巰基上的活潑氫反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程非常復(fù)雜至今并沒(méi)有定論，但可以肯定的是最終這種反應(yīng)會(huì)形成化學(xué)鍵；鄰位二醌的結(jié)構(gòu)也可以與相同結(jié)構(gòu)的鄰位二醌基團(tuán)或者DOPA基團(tuán)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)形成復(fù)雜的化學(xué)鍵合[1,8]。相關(guān)的粘附機(jī)理如圖2所示。

圖2 貽貝足絲蛋白的粘附機(jī)理Fig.2 Adhering mechanism of mussels byssus protein

2 多巴胺的應(yīng)用研究

2.1 仿生貽貝足絲蛋白的高分子

由于DOPA基團(tuán)已經(jīng)被確認(rèn)是貽貝足絲蛋白具有粘附作用的原因，所以在化學(xué)結(jié)構(gòu)上用這種基團(tuán)來(lái)得到相應(yīng)的性能的工作已經(jīng)大量展開(kāi)。其中最重要的就是生物粘合劑方向和表面改性方向，其中在生物粘合劑的相關(guān)研究方向通常是通過(guò)將具有這種鄰苯二酚結(jié)構(gòu)的基團(tuán)改性成共聚單體后共聚入聚合物，或者接枝在大分子側(cè)基的方法來(lái)仿生。而表面改性方向主要包含抗生物垢改性和表面生物活性改性。無(wú)論是生物粘合劑方向還是表面改性方向，作為鄰苯二酚基團(tuán)的載體改性成相應(yīng)的化學(xué)基團(tuán)的物質(zhì)通常是圖3中所示的4種單體。不難看出4種單體共同的特點(diǎn)就是都有鄰苯二酚的基團(tuán)，提供他們?cè)诜肿咏Y(jié)構(gòu)上可以仿生足絲蛋白的DOPA的結(jié)構(gòu)。另一端都有便于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氨基、羧基、醛基或者雙鍵等。

由于貽貝類(lèi)生物的粘附功能主要來(lái)源于其足絲蛋白，而這種足絲蛋白的分子結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，足絲蛋白的粘附功能也主要來(lái)源于鄰苯二酚基團(tuán)，所以將含有鄰苯二酚基團(tuán)分子通過(guò)接枝、共聚等接入大分子長(zhǎng)鏈中，來(lái)模擬足絲蛋白成為許多研究工作的核心。Glenn Westwood用苯乙烯和3,4-二甲氧基苯乙烯共聚后在用BBr3脫去甲氧基得到一種苯乙烯和DOPA的共聚物如圖4所示，這種共聚物可以通過(guò)投料比等方法來(lái)控制DOPA的含量，同時(shí)，試用了K2C r2O7、KMnO4、NaIO4等氧化劑應(yīng)用DOPA遇氧化自交聯(lián)的性質(zhì)來(lái)得到凝膠，同時(shí)也用了如Fe3+等金屬離子應(yīng)用DOPA與金屬離子的絡(luò)合作用也能得到很好的凝膠。用這些聚合物凝膠對(duì)鋁材進(jìn)行力學(xué)的搭接剪切試驗(yàn)，其可以承受的最大剪切力是（75 000±3 000）mN[9]。

圖3 含鄰苯二酚基團(tuán)的單體Fig.3 Molecules containing catechol groups

圖4 苯乙烯-DOPA共聚物Fig.4 Copolymer of styrene-DOPA

Murat Guvendiren等人則用接枝的方法引入DOPA基團(tuán)，他們先用陰離子聚合的方法，做好一種含有甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯的嵌段共聚物，再將被酯化的左旋多巴用酸堿反應(yīng)接到甲基丙烯酸的側(cè)基上，也得到一種DOPA改性的丙烯酸共聚物如圖5所示。由于這種共聚物是一種親油性的共聚物，而且本身具有自交聯(lián)的性能，所以將這種聚合物溶于有機(jī)溶劑中放在飽和水蒸氣中24 h后就形成了凝膠。DOPA對(duì)于金屬氧化物表面有很好的粘接性能，所以該項(xiàng)研究測(cè)試了這種聚合物凝膠對(duì)于表面覆蓋TiO2物質(zhì)的材料的力學(xué)的搭接剪切試驗(yàn)用于測(cè)試其粘接強(qiáng)度。其粘接強(qiáng)度也與DOPA的含量有著非常密切的聯(lián)系，其中最大的粘接強(qiáng)度可以達(dá)到2 300 Pa左右[10]。

圖5 DOPA改性的丙烯酸共聚物Fig.5 DOPA-modified acrylic copolymers

Miaoer Yu等人則用DOPA和賴(lài)氨酸衍生物直接縮聚的方法得到一種大分子，再用還原的方法，將原來(lái)的DOPA和賴(lài)氨酸衍生物中的羥基和氨基還原出來(lái)，得到一種以酰胺鍵連接的類(lèi)似于聚氨基酸的大分子來(lái)模擬貽貝足絲蛋白，這項(xiàng)研究同樣用了多種固化方式對(duì)其進(jìn)行了固化，其中包括利用氧化自交聯(lián)方式固化的氧化劑，NaIO4、 H2O2、多酚氧化酶（酪氨酸氧化酶）和自氧化（空氣中O2），并且討論了該種聚合物凝膠對(duì)于多種材料的力學(xué)搭接剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)，這種凝膠對(duì)于鋁材料和鋼材料的粘接強(qiáng)度可以達(dá)到3～4 MPa，對(duì)于玻璃材料的粘接強(qiáng)度可以達(dá)到2.5 MPa，對(duì)于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）和聚乙烯（PE）的粘接強(qiáng)度都小于0.5 MPa[11]。這種聚合物在化學(xué)結(jié)構(gòu)上很大程度的模擬了貽貝足絲蛋白的分子。

2.2 DOPA改性的聚合物凝膠

由于DOPA基團(tuán)既可以自交聯(lián)，也可以與其他基材的表面形成很好的粘附，所以直接通過(guò)對(duì)大分子的改性或接枝，甚至共混等方法得到有粘接性能的凝膠而不以模擬貽貝足絲蛋白為目的的研究也有一些報(bào)道，Bruce P.Lee，等人直接用左旋多巴作為聚乙二醇（PEG）的封端劑，得到單封端、雙封端和四臂封端的PEG分子后，再用NaIO4、辣根過(guò)氧化物酶和過(guò)氧化氫，多酚氧化酶和氧氣3種體系，對(duì)其進(jìn)行凝膠化處理，得到的水凝膠也是一種非常好的有粘附性能的水凝膠材料，并討論了其水凝膠本體材料的力學(xué)性能，其性能與不同的聚合物和不同的固化方式有很緊密的聯(lián)系[12]。John L.Murphy等人分別用鹽酸多巴胺和3,4-二羥基苯基丙酸來(lái)接枝PEG與PCL的共聚物，這種共聚物被做成一種有粘附性能的膜材料，并用NaIO4對(duì)這種膜進(jìn)行了固化，得到的材料粘接生物凝膠材料的搭接剪切強(qiáng)度最高可以達(dá)到200 kPa。材料用于密封牛心臟組織的爆破壓試驗(yàn)也得到非常好的密封性能，該材料最高可以承受1 300 mmHg的張力[13]。Kazunori Yamada等人則直接將多巴胺和多酚氧化酶混入殼聚糖溶液，所得到的混合液用K2C r2O7氧化固化后，得到的凝膠對(duì)于玻璃的粘接強(qiáng)度也超過(guò)了400 kPa[14]。

2.3 貽貝足絲蛋白本身的粘合性能

作為從自然界提取的粘附蛋白，本身就具有粘合性能，Lal Ninan等[15]人就直接從貽貝類(lèi)生物的足絲組織中提取了粘附蛋白，并檢測(cè)出提取的貽貝足絲蛋白100氨基酸殘基平均有22個(gè)氨基酸殘基含有DOPA，并通過(guò)多種氧化劑的固化得到粘附性能不同的凝膠材料，測(cè)試了其對(duì)于小腸粘膜下層組織的粘附性能，發(fā)現(xiàn)在眾多氧化劑中含有V5+的氧化劑所得到的凝膠材料有最好的粘接性能，其粘接強(qiáng)度在300 kPa左右。

3 結(jié)論

DOPA 及多巴類(lèi)衍生物，具有簡(jiǎn)便、易操作的涂覆性能，在眾多領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。源于對(duì)黏性蛋白粘附性能的研究，合成一系列的DOPA 及其衍生物改性高分子，在很大程度上改進(jìn)了聚合物材料的性能，拓寬了DOPA 的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，對(duì)于多巴及其兒茶酚衍生物的粘附機(jī)理還不是很明確，這將會(huì)成為未來(lái)研究重點(diǎn)之一。

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Progress on application research of dopamine in adhesives

ZHAO Shuang-qi1,WANG Ke-min2
(1．College of Chemistry and Materials Science,Hubei Engineering University,Xiaogan,Hubei 432100;2．School of Material Science and Engineering,Changzhou University,Changzhou,Jiangsu 213164,China)

Dopamine(DOPA) is the important component of the mucus secreted by the marine organism such as mussels and has very strong adhesion to the inorganic materials and the organic materials．In this paper,the research of adhesion mechanism of DOPA and its derivatives and their application situation in different fields were summarized．

dopamine;adhesion;progress

TQ431

A

1001-5922（2015）01-0041-04

2014-07-24

趙雙琪（1982～）,女，碩士，研究方向：功能材料。

王克敏（1979～），男，博士，講師，研究方向：光聚合及生物材料。E-mail：wangkm0601@163.com。