聚多巴胺納米材料研究進展及應(yīng)用

郭亭亭,慕蓉,任浩浩,孫初鋒,李佳

(西北民族大學(xué) 化工學(xué)院,甘肅 蘭州 730030)

從傳統(tǒng)的工業(yè)技術(shù)到近代高科技,表面處理技術(shù)起到了不容忽視的作用,涂層技術(shù)是表面修飾的重要方法,尋找操作便捷且通用的涂層工藝一直備受關(guān)注[1]?；诤Ｑ笊镔O貝(mussel) 的仿生化學(xué)因其優(yōu)異的通用性及超強黏附性等優(yōu)良特點,可以很大程度上提高對材料表界面的控制,已經(jīng)成為表面修飾技術(shù)的重要方法之一,被應(yīng)用于環(huán)境、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[2]?；跓o脊椎貝類的仿生化學(xué)主要是通過兒茶酚類化合物(鄰苯二酚、多巴胺、沒食子酸與丹寧酸等)[3-6]的氧化自聚合從而來達到對基底材料表界面改性的目的。

多巴胺(4-(2-氨基乙基)-1,2-苯二酚,DA)作為一種可應(yīng)用于貽貝仿生化學(xué)改性得低分子量的兒茶酚胺化合物,其分子結(jié)構(gòu)上富含酚羥基與胺基功能團,在水中就能在很多材料表面發(fā)生自聚合,可作為表面仿生黏附劑。多巴胺氧化自聚合形成聚多巴胺(PDA),且在無需額外添加各種還原劑和表面活性劑的情況下通過氫鍵作用、螯合作用、π-π相互作用、共價鍵作用等復(fù)雜的物理化學(xué)作用緊緊地黏附在各種基體表面成膜,其材料功能化克服了傳統(tǒng)納米材料改性時的高污染,反應(yīng)條件苛刻等缺點,是一種環(huán)境友好型試劑。此外聚多巴胺由于具有類似粘性蛋白的結(jié)構(gòu),形成的薄膜表面含有大量活性基團為進一步修飾改性材料表面提供了條件,具有表面可二次修飾的優(yōu)點,實現(xiàn)了膜的功能化。不僅如此,還具有較好的生物相容性及低細胞毒性,聚多巴胺與不同類型的細胞(成骨細胞、成纖維細胞、神經(jīng)元)進行各種體外研究表明,聚多巴胺對細胞活力沒有任何顯著影響和不良反應(yīng),因此,PDA在生物傳感、癌癥治療和抗菌等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也備受關(guān)注。本文綜述了基于貽貝仿生PDA改性納米材料的制備(聚多巴胺納米片、納米顆粒),并且探索了這些聚合物復(fù)合材料在醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用方面的最新進展,并進行了展望。

1 聚多巴胺概述與制備方法

多巴胺這一物質(zhì)曾由Lee[7]等人提出,作為一種位于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì),其可以在人體內(nèi)作為神經(jīng)傳導(dǎo)介質(zhì)來達到控制情欲的作用,有氧條件下,可自聚合為具有特殊黏附性能的聚多巴胺。伴隨著人們對聚多巴胺的深入了解,其制備方法也不斷創(chuàng)新,溶液氧化法[8]、電化學(xué)聚合法[9]和酶氧化法[10]等新型聚合方法進一步開拓了多種制備PDA的選擇途徑。

溶液氧化法主要包括氨-乙醇法、Tris-堿緩沖法和NaOH-堿緩沖法。雖然反應(yīng)條件溫和且不需要昂貴的實驗儀器,但是這種方法作為涂層材料時,對多巴胺濃度、氧化劑含量、溫度、pH值等要求較為嚴苛,并且此方法中多巴胺聚合速度緩慢,因此不能產(chǎn)生令人滿意的結(jié)果。電化學(xué)聚合法反應(yīng)速度快,并且不會發(fā)生PDA聚集,通常可用于不同基底表面,有助于電極板上的電子轉(zhuǎn)移,但該方法的缺點是需要導(dǎo)電材料進行電聚合。酶氧化法[11]比溶液氧化法更加環(huán)保且避免了上述電化學(xué)聚合法的局限性,因此被認為是合成聚多巴胺的最佳方法。此方法可視為略氨酸酶氧化產(chǎn)生近似天然黑色素PDA的過程,目前已使用氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶和水解酶作為PDA聚合的催化劑。

2 聚多巴胺的納米結(jié)構(gòu)

鑒于聚多巴胺特殊的性能,針對不同的需要,聚多巴胺在不同條件下可以被制備出不同的納米結(jié)構(gòu)[12],基于不同的納米結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)制備出了更多不同類型的復(fù)合材料,下面小節(jié)對不同納米結(jié)構(gòu)的聚多巴胺進行介紹,從而更好地了解基于PDA不同類型的多功能復(fù)合材料。

2.1 聚多巴胺納米片

考慮到PDA界面特性以及它們可組裝成更高階和復(fù)合結(jié)構(gòu)的能力,平面的高縱橫比Janus粒子(即納米片)得到了人們的廣泛關(guān)注。如圖1所示,De Leon[13]等開發(fā)了一種將Pickering乳液與接枝聚合相結(jié)合制備 Janus 2D氧化石墨烯(GO)納米片的簡便方法。制備出了單面帶有PMMA的Janus GO納米片以及對稱功能化的類似物,并對這些材料的化學(xué)、熱學(xué)、結(jié)構(gòu)、表面和界面特性進行了表征,這項研究不僅為Janus納米片的制備提供了一種簡便的途徑,而且還可視化地展示了從氧化石墨烯表面生長聚合物的過程。Lin[14]等通過肽自組裝形成了有單層厚度的Janus二維結(jié)構(gòu),促使在相對表面上進行雙功能化成為可能,因此納米片可以作為各種材料組分的基底,顯示不同反應(yīng)基團表面的多功能性。此外還觀察到納米片表面的酶組裝可以增強催化活性,這便可以模擬在生物膜上發(fā)生的酶反應(yīng),有利于二維肽自組裝。因此研究學(xué)者們預(yù)計2D-Janus納米材料可以被設(shè)計成表面配體以激發(fā)廣泛的應(yīng)用,如藥物傳遞和生物電子傳感。

(a)Pickering乳液和接枝聚合相結(jié)合獲得Janus 2D氧化石墨烯(GO)納米片方案[13];(b)F6C11在苯丙氨酸和烴尾間自分類后自組裝成Janus納米片的示意圖及其納米片的TEM圖像[14];(c)Janus烷基-PDA納米片的反應(yīng)流程及其相應(yīng)的AFM圖像[15]圖1 基于二維納米片自組裝的例子

Sheng[15]等受貽貝啟發(fā)以自組裝的十八烷胺(ODA)雙分子層作為多巴胺聚合的反應(yīng)模板,研究了烷基聚多巴胺納米片的合成。其納米片具有兩親性,可以用來穩(wěn)定不混溶液體,并且可根據(jù)需要來選擇性地修飾納米材料表面。這項工作為制備聚合物Janus納米片提供一種新的策略,它可以應(yīng)用于表面改性、催化劑載體和引導(dǎo)自組裝等,為納米材料的改性和表面修飾提供了條件。迄今在制造聚合物和Janus納米片方面,較差的形態(tài)可控性和較低的后修飾限制了它們的應(yīng)用。因此,使用可擴展的方法制造Janus聚合物納米片以及方便地操縱界面性質(zhì)是目前研究的關(guān)鍵目標(biāo)。

2.2 聚多巴胺納米顆粒

PDA-NPs(聚多巴胺納米顆粒)是基于PDA涂層技術(shù)開發(fā)的,通過將PDA聚合成納米級顆粒來擴展其利用潛力,對聚多巴胺納米顆粒而言,尺寸對其物理性質(zhì)和生物活性都有影響。本質(zhì)上,PDA-NPs與PDA涂層具有相同的聚合機理,只是PDA-NPs的合成需要添加聚合物抑制劑來控制聚合速度和顆粒形態(tài)[16]。水-醇混合溶液是反應(yīng)中最常用的聚合物抑制劑,因此通過調(diào)整水和乙醇的配比可以改變PDA-NPs尺寸和尺寸分布。研究發(fā)現(xiàn)在乙醇體積分數(shù)為25%～40%的混合溶劑中,可得到分散良好的PDA納米顆粒[17]?？傮w而言,PDA-NPs的合成可以通過調(diào)整實驗參數(shù)來控制,例如多巴胺單體用量、溶液pH值、聚合反應(yīng)時間、溫度等。但控制這種仿生多功能材料的粒徑、形狀和電子特性的因素仍然知之甚少。如圖2所示,Ju[18]等報道了一種通過用NaOH中和多巴胺鹽酸鹽,然后對多巴胺進行自發(fā)的氧化,合成了尺寸可控的黑色素納米顆粒的方法。另外研究結(jié)果表明了聚多巴胺納米顆粒的粒徑隨pH值的升高而逐漸變小。

(a)NaOH中和鹽酸多巴胺,進行自發(fā)的空氣氧化合成了具有尺寸控制的黑色素納米顆粒示意圖[18];(b)800 ℃ 的氮(或氬)環(huán)境中碳化聚多巴胺納米顆粒的類石墨納米結(jié)構(gòu)示意圖[20];(c)通過氧化劑誘導(dǎo)的多巴胺聚合形成多功能涂層(從左到右:玻璃、鋁、聚醚砜、尼龍和纖維素)[19]圖2 聚多巴胺納米顆粒的合成及應(yīng)用示意圖

Wei[19]等報道了一種通過氧化劑誘導(dǎo)的多巴胺涂層進行表面改性的方法,這種表面改性方法與材料無關(guān)且具有多功能性。通過氧化劑誘導(dǎo)聚合,可在酸性、中性和堿性等水介質(zhì)中制備聚多巴胺涂層,因此許多堿性腐蝕性和pH敏感材料也可以在酸性或中性水介質(zhì)中被多巴胺改性。研究還發(fā)現(xiàn)高碘酸鈉或氯酸鉀等氧化劑會加速堿性水介質(zhì)中的聚合反應(yīng),氧化劑的加入提高了多巴胺在堿性水介質(zhì)中的反應(yīng)速度,因此這種氧化劑誘導(dǎo)的方法擴展了聚多巴胺涂層的應(yīng)用范圍。此外,聚多巴胺不僅是一種具有良好光性能的多功能生物聚合物,而且還是可用于不同表面的多功能涂層平臺,聚多巴胺的結(jié)構(gòu)和形成是一個十分具有研究價值的領(lǐng)域。在這項研究中,Yu[20]等首次報告了在800 ℃的氮(或氬)環(huán)境中碳化的聚多巴胺納米顆粒中觀察到類石墨納米結(jié)構(gòu),為聚多巴胺的分層堆疊結(jié)構(gòu)提供了明確的證據(jù),且分析聚多巴胺的層次結(jié)構(gòu)有助于了解它的形成。

受貽貝黏附的啟發(fā),PDA和PDA-NPs涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性、親水性和黏附性,PDA-NPs具有豐富的基團,幾乎可以使任何生物材料表面功能化,因此可為干細胞提供特定平臺,通過調(diào)整合成條件或氧化方法,可以優(yōu)化PDA-NPs的直徑和形態(tài),以獲得更好的物理和化學(xué)性質(zhì)。在過去十年中,研究人員更多地關(guān)注PDA-NPs和PDA衍生NPs的抗菌、抗氧化/抗炎、電導(dǎo)率等特性。隨著對PDA-NPs特性的了解增加,可以合成具有特定生物功能的新型智能生物材料,以滿足生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的特定需求。

3 聚多巴胺納米材料在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,納米材料已逐步融入到了我們的生活應(yīng)用中,這也為聚多巴胺納米復(fù)合材料的制備提供了廣泛的市場前景。聚多巴胺與各種大小和性質(zhì)不同的納米結(jié)構(gòu)融合在一起,從而產(chǎn)生的新型多功能納米材料在納米醫(yī)學(xué),可應(yīng)用于癌癥治療方面,且有望成為新一代骨組織工程支架材料[21]。Chen[22]等報道了一種基于PDA和金屬有機框架(MOF)的結(jié)構(gòu)。利用兒茶酚基團的螯合能力,在PDA粒子上沉積Fe2+離子,然后通過與三聚酸重復(fù)反應(yīng)進行MOF殼的生長。所得材料具有較高的表面活性,因此可提供治療。Li等[23]將PDA與邊緣為Bi2Se3的兩層納米板制備為多功能復(fù)合材料,這里使用血清蛋白來確保納米結(jié)構(gòu)的膠體穩(wěn)定性,保護藥物不被快速降解,因其細胞毒性降低,因此,在抗癌治療中顯示出有效的性能。由于PDA可與過渡同位素和放射性同位素相結(jié)合,這一性質(zhì)也可應(yīng)用于重金屬方面(HgII、PbII、CuII)[24],其可被作為一種光熱劑,并與其他治療方法相結(jié)合用于提高治療的效果,因此,PDA廣泛被應(yīng)用于放射性同位素癌癥治療[25]。

DA中含有大量的鄰苯二酚、氨基等活性官能團,因此可以通過共價或非共價的方式將骨修復(fù)材料與生長因子結(jié)合起來,骨組織的再生能力隨著兩者結(jié)合力的增加而顯著提高。因此,多巴胺作為工程支架與細胞的連接橋梁,很大程度上克服了傳統(tǒng)醫(yī)療器械植入物帶給人的危害[26]。PDA 涂層在體外還表現(xiàn)出不同細胞類型的良好附著性和成骨分化。則Wu[27]等證明了 PDA 修飾的多孔二氧化硅支架在骨修復(fù)方面,顯示出了骨髓基質(zhì)細胞的增殖和分化,表明成骨特性增強。此外,PDA 涂層也已被證明可以積極刺激其他類型的骨相關(guān)細胞的活性,如小鼠成骨細胞和人成骨細胞。

4 總結(jié)與展望

納米科學(xué)技術(shù)有希望從根本上克服人類所面臨的能源損耗、身體健康和環(huán)境污染等重大問題,伴隨在納米材料研究領(lǐng)域的不斷探究,其在不同領(lǐng)域都受到了廣泛重視。

1)聚多巴胺可通過多巴胺的氧化自聚合被涂覆在基底表界面,因其超強黏附性、還原性及其良好的生物相容性,聚多巴胺及其衍生的復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于催化、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

2)聚多巴胺及其衍生的復(fù)合材料功能化克服了傳統(tǒng)納米材料改性時存在的二次污染等缺點,且聚多巴胺納米粒子的官能團可以和抗癌等藥物結(jié)合,達到包裹和釋放藥物的作用,因此這種生物啟發(fā)性涂層技術(shù)受到了醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注。

3)如今已經(jīng)有很多成功的例子可以證明這種通過對固體、膜或者納米材料等基底進行表面改性制備出的新型多功能材料的重要地位,且目前人們還在不斷探索它的創(chuàng)新應(yīng)用,因此聚多巴胺納米材料的精準(zhǔn)合成與其性能關(guān)系的研究也具有十分重要的理論意義,通過合成創(chuàng)新,挖掘其應(yīng)用潛力已是研究者們的持續(xù)奮斗目標(biāo)。