聚多巴胺的发现、反应原理及应用
时间：2023-04-07 21:00:05 来源：千叶帆 本文已影响人
彭浩南，李红
1陕西师范大学化学化工学院，应用表面与胶体化学教育部重点实验室，西安 710119
2西安石油大学化学化工学院，西安 710065
材料的表面修饰方法对于现代化学、生物学以及材料科学等学科的基础研究与实际应用都发挥着重要作用。目前常用的表面修饰方法包括自组装单层膜技术[1]、LB膜(Langmuir-Blodgett)沉积技术[2]、层层组装技术(layer-by-layer assembly)[3]和基因工程化的表面结合肽技术[4]等。尽管这些技术应用广泛，但是需要指出，这些技术仍然存在很多缺陷。例如自组装单层膜技术是建立在烷硫醇和金属或者硅烷和氧化物特定相互作用的基础上，LB膜技术需要复杂的仪器并且受限于基底的尺寸和形状，层层组装技术和基因工程化的表面结合肽技术则依赖于繁琐的多步骤操作。由此可见，亟需发展一种简单可行、普遍适用的表面修饰技术。多巴胺氧化自聚合反应由于在任意组成和形状的材料表面均能够通过一步反应制备功能化的聚多巴胺(polydopamine，PDA)薄膜，引起了广大科研人员的关注。与其他传统的聚合反应相比，该反应的反应条件温和、不需要使用额外的引发剂、在绿色溶剂水溶液中即可发生，因此成为基础与应用研究领域的一个“明星”反应。由于该反应被大量应用于材料的表面修饰以及纳米功能材料的制备，因此可作为大学化学专业本科物理化学课程中“表面物理化学”和“胶体分散系统和大分子溶液”内容的延伸与拓展，促进学生对化学前沿科学研究的认知。
多巴胺(dopamine，DA)是一种存在于中枢神经系统中的儿茶酚胺类神经递质。其通过与受体作用调控机体的运动功能、精神活动、内分泌系统功能、心血管功能、胃肠道功能以及视网膜信息传递等[5]。1910年，人类首次实现了多巴胺的人工合成。1958年，瑞典科学家Arvid Carlsson提出多巴胺是一种重要的神经递质，脑内缺乏多巴胺会引起帕金森病(Parkinson’s disease)[6]。然而在此之前，人们普遍认为多巴胺只是另一种神经递质去甲肾上腺素(norepinephrine)的前体。Arvid Carlsson发现多巴胺在大脑中的含量高于去甲肾上腺素，尤其是集中在脑部基底核区域，也就是机体控制运动机能的重要部位。进一步，美国科学家Paul Greengard揭示了多巴胺作为神经递质的作用机制，确定了突触作为神经细胞间联结的重要作用。美国科学家Eric Kandel则提出了神经系统中突触效能的修饰方法及其分子机制。三位科学家由于在“神经系统中信号传导”机理方面的突出贡献，共同荣获了2000年诺贝尔生理学或医学奖。
近年来，多巴胺作为重要的材料表面修饰方法的构筑基元，由于其产物聚多巴胺具有易于制备和修饰、粘附性强、生物相容性、卓越的光热转换性能、荧光猝灭性等优点，在生物医药、传感、催化、能源、生物电子等诸多领域吸引了广泛关注。
贻贝具有很强的粘附能力，其分泌的粘附蛋白能够粘附在各种各样的基底材料上，甚至包括常见的非粘附材料聚四氟乙烯(图1a)以及潮湿环境下的固体表面如海床、轮船底部等。通过对贻贝粘附蛋白研究发现，其含有大量的3,4-二羟基苯丙氨酸(3,4-dihydroxyphenylalanine，DOPA)和赖氨酸的分子结构(图1b–d)。其中，邻苯二酚与氨基基团通过多重共价及非共价作用与粘附基底形成强的相互作用，是贻贝超强粘附能力的根本所在[7]。
2007年，受贻贝粘附蛋白的启发，美国西北大学的Haeshin Lee和Phillip B. Messersmith等人利用生物小分子多巴胺开发了一种简单的、普适性的表面修饰方法——多巴胺氧化自聚合反应[8]。考虑到贻贝粘附蛋白中富含3,4-二羟基苯丙氨酸和赖氨酸结构，因此，他们采用同样含有邻苯二酚和氨基基团的小分子多巴胺，作为模仿贻贝粘附蛋白的反应前驱体。将基底材料沉浸在多巴胺的三羟甲基氨基甲烷(Tris，pH 8.5)的溶液中，其中多巴胺的浓度是2 mg∙mL−1，随着反应的进行薄膜逐渐增厚，通过控制反应时间，可在几纳米到几十纳米范围内调节PDA层厚度(图1f，g)。该反应能够发生在任意形状和组成的基底上，例如金属(金、银、铂、钯)、氧化物(不锈钢、NiTi记忆合金、TiO2、SiO2、Al2O3、Nb2O5)、陶瓷(玻璃、羟基磷灰石)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射线光电子能谱(XPS)证实经过3 h的反应，不同基底表面的元素信号基本一致，证明基底表面修饰了相同的薄膜。并且材料表面的氮碳比均在0.1到0.13之间，与理论上多巴胺分子的氮碳比0.125接近。他们通过一系列的表征推测，邻苯二酚首先氧化为醌类，进而形成了聚多巴胺，与天然的黑色素合成过程相近。利用该方法制备的聚多巴胺具有邻苯二酚、氨基等活性基团，可以与金属离子发生配位反应，或者与含有氨基或巯基的分子发生迈克尔加成反应、席夫碱反应，从而对材料进行进一步的功能性修饰。由于操作简便、广泛适用性、易于修饰等优点，多巴胺氧化自聚合反应一经发现，立即引起了研究人员的广泛关注与推广，使得聚多巴胺微纳米材料得到了快速的发展。
图1 a) 贻贝粘附在聚四氟乙烯表面；
b) 贻贝足丝蛋白的示意图；
c) 粘附蛋白化学结构示意图；
d) Mefp-5粘附蛋白的氨基酸序列；
e) 多巴胺的分子结构；
f) 多巴胺氧化自聚合反应过程示意图；
g) 聚多巴胺涂层的厚度随反应时间变化的情况[8]
尽管关于多巴胺氧化自聚合反应的机理及产物，学术界目前仍处于激烈的争论阶段。但是，学者们普遍认同在多巴胺氧化自聚合反应的初始阶段，首先多巴胺发生自氧化反应生成多巴胺-醌，之后发生环化反应形成5,6-二羟基吲哚(DHI)——聚多巴胺的重要前体[9]。但是，之后发生的形成聚多巴胺的过程非常复杂，当然目前聚多巴胺的真实组成也是不明确的。聚多巴胺组成和结构的表征之所以这么困难，主要是其不易溶解的特性引起的——聚多巴胺在绝大多数的水中和有机溶液中均不能溶解。尽管如此，研究人员还是利用一些关于聚多巴胺的表征如核磁共振仪(NMR)、紫外-可见分光光度计(UV-Vis)、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、质谱等，试图揭示聚多巴胺结构的奥秘。目前关于聚多巴胺的组成主要有两方面的论点。
3.1 自聚-组装理论
最常见的假说认为聚多巴胺不是传统的聚合物，而是由各种前驱体的单体及其寡聚物组成的超分子聚集体，例如包含多巴胺-醌、5,6-二羟基吲哚、多巴胺以及真黑素类似物等，这些分子通过氢键、电荷转移、π–π堆积、阳离子-π相互作用等超分子相互作用进一步组装形成聚多巴胺。Dreyer等利用15N NMR、13C NMR以及晶体学技术，提出聚多巴胺是芳香环单体通过非共价相互作用堆积形成的类似于其他合成的或是生物的超分子聚合物[10]。Chen等采用实验与理论计算相结合，证明聚多巴胺是由5,6-二羟基吲哚的四聚体通过超分子组装形成的，二级结构之间的层间距是0.33 nm[11]。在上述研究的基础上，Hong等发现在聚多巴胺内部还存在多巴胺单体，这些单体通过与氧化产物5,6-二羟基吲哚等寡聚物之间进行超分子组装，如T形相互作用、氢键、阳离子-π相互作用，从而包裹在聚多巴胺之中[12]。进一步，他们指出2个多巴胺与1个5,6-二羟基吲哚通过超分子相互作用形成三聚体，并且包埋在共价交联的寡聚物内部共同参与棕黑色的聚多巴胺的形成(图2)。最近，Chai等利用基质辅助激光解吸电离质谱(MALDI-MS)分析在不锈钢表面形成的聚多巴胺膜，发现其主要包含质谱峰m/z是402，因此推测聚多巴胺主要是由DHI或者DA/DHI衍生的寡聚物组成[13,14]。
图2 多巴胺单体参与聚多巴胺形成的反应示意图[12]
3.2 高分子聚合理论
另一些研究人员则坚持认为聚多巴胺的组成就是传统的高分子量的聚合物。氧化、环化之后的聚多巴胺前体通过芳香环之间的共价连接形成典型的聚合物。起初，人们推测聚多巴胺的生成路径与生命体中真黑素的合成过程类似(图3)。多巴胺首先在碱性环境下氧化生成多巴胺-醌，其通过迈克尔加成反应发生分子内环化[15]，之后进一步氧化、分子重排从而形成5, 6-二羟基吲哚。5,6-二羟基吲哚又易被氧化生成5,6-吲哚醌。这两种产物在2, 3, 4, 7位置容易发生支化反应，生成丰富的二聚体，最终形成大分子量的寡聚物。之后，寡聚物通过邻苯二酚与醌之间的反歧化反应形成多重交联的聚合物。但是，上述聚多巴胺合成路线仅有傅里叶变换红外光谱进行初步的证实，需要更多的实验表征深入验证[16]。Liebscher等利用NMR、XPS、FTIR等实验手段证明5,6-二羟基吲哚和5,6-吲哚醌等前体通过苯环之间的碳碳键连接，并且提出寡聚物之间以平行或是反平行的方式排列的模型[17]。最近，Messersmith等通过原子力显微镜(AFM)辅助的单分子力谱(SMFS)从单分子水平证实了聚多巴胺中含有长达200 nm的聚合物单链分子，因此首次从单分子水平为聚多巴胺的聚合物本质提供了直接的证据[18]。
图3 聚多巴胺的形成过程与生命有机体中真黑素的合成路径类似[15]
4.1 传感
荧光传感具有灵敏度高、选择性好、不受散射光干扰等优点，广泛应用于生物分子和金属离子的检测分析。聚多巴胺的吸收光谱几乎覆盖了整个紫外-可见光和近红外光区域，因此是一种高效的荧光猝灭剂。聚多巴胺可以猝灭多种染料分子的荧光，如氨基甲基香豆素乙酸酯、6-羧基荧光素和6-羧基四甲基罗丹明等。Qiang等采用染料分子修饰单链脱氧核糖核酸(singlestrand DNA，ssDNA)，之后将其与聚多巴胺纳米粒子结合，从而实现了所修饰染料分子的荧光猝灭[19]。待测物互补ssDNA由于能够与上述染料修饰ssDNA结合，致使其从聚多巴胺纳米粒子上脱离，从而恢复染料分子的荧光。利用该方法可实现的最低检出限是0.1 nmol·L−1。在此基础上，Ma等将异硫氰酸荧光素(FITC)修饰的ssDNA与多巴胺共混合，在没有抗氧化剂存在时，两种物质会共组装形成荧光猝灭型的聚多巴胺球；
然而，当抗氧化剂如抗坏血酸、谷胱甘肽、半胱氨酸等存在时，多巴胺的氧化自聚合反应就会受到抗氧化剂的阻碍，从而有效地保留FITC的荧光性质[20]。利用这种方法能够实现对谷胱甘肽的有效监测，线性单位是50 nmol·L−1–10 μmol·L−1，检出限是16.8 nmol·L−1。聚多巴胺纳米材料还被应用于金属离子的定量分析。例如，Wang等采用微等离子体诱导的电聚合方法制备了尺寸极小(3.1 nm)的聚多巴胺纳米粒子，并成功实现U6+离子的传感检测，检测限为2.1 mg∙mL−1[21]。
4.2 癌症光热疗法
癌症严重威胁着人类的生命和健康。据世界卫生组织统计，2007年全世界约有790万人死于癌症，占所有死亡人数的13%；
并且预计到2030年将上升至1200万人。每年在癌症病人治疗和护理方面的花费超过2000亿美元，给社会和家庭带来了沉重的负担。目前癌症治疗的关键问题仍然是开发高效、安全的癌症治疗方法。光热疗法(photothermal therapy，PTT)是利用光敏剂选择性提高局部温度的一种新兴癌症治疗方法。这种疗法通过使用高光热转换效率的光敏剂，将其注入人体内部，并在外部光源(一般是近红外光)的照射下将光能转化为热能以杀死癌细胞。与癌症治疗技术如化疗相比较，光热疗法的治疗效果只发生在肿瘤部位，有效避免了杀死正常细胞和破坏免疫系统的风险，是一种非侵入性和高选择性的癌症治疗方法。中国科学院长春应用化学研究所的逯乐慧研究员首次报道了聚多巴胺具有很高的光热转换效率，可应用于光热疗法的光敏剂(图4)[22]。他们利用808 nm激光照射处理5 min，几乎全部的聚多巴胺纳米粒子给药的4T1细胞和HeLa细胞都能够被杀死。并且经过10天的聚多巴胺纳米粒子的光热治疗，能够彻底消除4T1肿瘤型Balb/c小鼠的肿瘤组织。进一步，将聚多巴胺纳米粒子与另外一种光热剂吲哚青绿相结合，与单纯的聚多巴胺纳米粒子相比较，负载吲哚青绿的聚多巴胺-Fe3+纳米粒子在低能量密度(808 nm，1.0 W∙cm−2，10 min)激光照射下的近红外吸收增加约6倍，温度可达55.4 °C[23–25]。该方法能够有效降低光热疗法中所用激光的能量密度，从而降低光强过高而引起的毒副作用。除了与另外一种光敏剂相结合，利用聚多巴胺包覆磁性纳米粒子构建核壳结构，也能够实现增强的近红外吸收和高效的局部热效应(> 50 °C)，从而有效治疗癌症[26]。最近，Xu等使用聚多巴胺包覆液体金属制备了纳米马达[27]。纳米马达所负载的脲酶使其能够在尿素驱动下进行定向运动，从而实现超声和光声成像指引的光热和化疗协同治疗效果。
图4 聚多巴胺纳米颗粒应用于光热疗法[22]
4.3 催化
聚多巴胺由于具有强粘附性、易于制备和修饰等优点，常被用作酶、金属纳米粒子等催化剂的载体材料。例如，Wu等将葡萄糖氧化酶封装在ZIF-8金属有机框架中，并采用聚多巴胺对其进行包封，形成微米尺寸的聚集体，极大地提高了葡萄糖氧化酶的重复使用性能[28]。Chen等采用聚多巴胺包覆红细胞，并将二者作为电池的阴极，成功实现了O2-H2O2级联反应的催化还原，为葡萄糖生物燃料电池的制备提供了新的方法(图5)[29]。采用双软膜板方法，即利用1,3,5-三甲基苯和P123、F127两种表面活性剂，可以在Fe3O4纳米粒子表面修饰聚多巴胺得到磁性介孔纳米花[30–32]。负载脂酶后的纳米花能够实现87.9%的生物柴油转化，6次重复使用后仍然可达71.3%的转化率。进一步，研究人员将聚多巴胺强的光热转换性能与金属纳米粒子的催化作用协同，以提高催化效率。Mei等以聚合物纳米球为模板组装了多腔室结构的Au@PDA纳米反应器，在近红外光照射下，聚多巴胺进行光热转换促进金纳米粒子的表面温度升高，明显增强了催化性能[33]。此外，聚多巴胺既含有酸性如酚羟基等基团，又含有碱性如伯胺和仲胺等基团，二者分别具有活化其他分子亲核基团或是亲电基团的能力，因此聚多巴胺自身也具有催化其他反应的性能。Yang等证明聚多巴胺纳米粒子可以催化CO2与单、双取代的环氧化合物生成碳酸酯[34]。并且在KI存在下、140 °C和2 MPa条件下进行反应，CO2和氧化丙烯的转化率可达96%，为消除温室气体CO2提供了新的途径。Pawar等发现聚多巴胺能够在水溶液中催化苯并咪唑、喹喔啉以及氧化仲胺的合成反应，具有类似胺氧化酶的催化性能[35]。
图5 聚多巴胺包覆红细胞新型催化体系应用示意图[29]
在多巴胺的氧化自聚合反应发现以来的过去16年间，其对如表面修饰、生物医药、环境保护、催化、能源、生物电子等相关领域产生了重要的影响。目前虽然对其反应机理仍然存在较大的争议但是并不影响科研人员对该反应的推广与应用。除了厘清该反应的机理与产物之间的关系，进一步的工作还要深入研究聚多巴胺的生物相容性与安全性，从而推进其在生物医药领域的应用。此外，更多研究应该关注于多巴胺基微纳米材料结构、性质和功能的精准调控，例如深入挖掘一步共组装策略在新型纳米材料的研发中的重要作用。聚多巴胺具有高度的可修饰性及与其他材料共组装的性质，因此可推广应用于多功能性微纳米材料的构建，例如癌症诊疗一体化平台以及多重酶活性的仿生酶的构筑等。毋庸置疑，对于该反应的深入开发与利用仍然会带给人类更多的惊喜与期望。
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