多巴胺功能材料的制备方法及应用研究进展

2024.04.08

唐良泽杨在君胡琬君

摘要：近二十年来，多巴胺广泛运用于材料的合成。本文就多巴胺参与的材料制备方法进行总结，包括多巴胺的自聚合、共价键接枝、多组分共聚、乙烯基修饰的多巴胺聚合，并简述其在材料领域的应用。

关键词：多巴胺;功能材料;合成方法

多巴胺含有氨基的邻苯二酚，是脑内分泌的儿茶胺酚类神经递质[1]，也是制备生物医用材料的原料。近二十年来，多巴胺及其类似物在材料领域得到了广泛应用。例如，赵鸣岐[2]等综述了多巴胺用于生物医用材料表面高分子涂层;Ryu[3]等综述了近十年来聚多巴胺在材料表面化学的研究;李红[4]等综述了多巴胺基纳米材料的应用;沈佳丽[5]等综述了多巴胺对骨修复材料的应用。本文主要是对近年来多巴胺参与材料制备的方法及应用进行概述。

1 多巴胺的自聚合

多巴胺在一定条件下可以发生氧化自聚合。多巴胺能环化形成吲哚，继而通过分子间聚合化和苯基的π-π堆叠自组装[3，6]。多巴胺的自聚合可运用于材料表面涂层修饰[7]，制备光热性能的聚多巴胺纳米粒子[8-9]，合成智能响应性多巴胺碳点等。例如，Lee等[7]将陶瓷、金属等材料浸泡在多巴胺的碱性Tris水溶液中，多巴胺聚合在这些材料的表面进行涂层化修饰。Si等将Fe3O4微球浸入在多巴胺的碱性磷酸盐溶液中，多巴胺自聚在Fe3O4微球表面，形成核/壳结构纳米复合物。该核/壳结构纳米复合物与金纳米粒子通过静电吸引自组装，得到超顺磁性复合材料。这种材料可以应用于催化剂载体或药物输送领域。Yamada等在多巴胺和壳聚糖的混合溶液中加入多酚氧化酶，多巴胺在氧化酶的作用下聚合，得到了聚多巴胺-壳聚糖复合材料。这种复合材料用K2Cr2O7固化成为凝胶。该凝胶对玻璃具有高黏接强度（400kPa）。Han等用黏土纳米片诱导多巴胺氧化自聚合，得到黏土纳米片-聚多巴胺复合材料。其再与丙烯酰胺共聚，得到持久的和可重复的黏性材料。该材料可用于外科手术敷料。聚多巴胺还可在静电纺丝纳米纤维、3D打印支架和聚对苯二甲酸乙二酯（PET）片材等表面进行氧化自聚合，改善其性能。此外，多巴胺还可用于制备聚多巴胺纳米球用于光热治疗[8-9]和制备聚多巴胺/二硒纳米碳点用于癌症检测。

2 多巴胺参与的多组分聚合

多巴胺能与含有碳碳双键的化合物进行多组分共聚，制备多巴胺功能化黏合剂。因为多巴胺的氨基可作为电子供体与缺电子的双键发生迈克尔加成。例如，Liang等用多巴胺与过量的乙烯基化合物发生迈克尔加成，得到多巴胺的多组分共聚物（见图1）。该多组分共聚物与吡咯、明胶复合后，可用于心脏手术封闭。Zhang等通过多巴胺与碳碳双键的多组分迈克尔加成，制得聚（多巴胺-丙烯酸酯）的超支化聚合物，具有较好的湿组织黏附性。Cui等通过多巴胺与四臂丙烯酸酯和二臂丙烯酸酯的多组分聚合，制备了具有疏水的主链和亲水性邻苯二酚侧链的超支化通用胶黏剂。该材料具有优异的水触发黏附特性。

3 多巴胺接枝到聚合物

多巴胺的氨基通过缩合反应或加成反应接枝到聚合物上，对聚合物进行功能化修饰，提高其性能。多巴胺通过共价键接枝在聚合物常用的有两种途径：一种是酰胺化反应，另一类是加成聚合。酰胺化反应需要缩合剂活化羧基，然后与多巴胺反应生成酰胺键。常用羧基活化剂有1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳酰二亚胺盐酸盐（EDC·HCl），苯并三氮唑-N，N，N′，N′-四甲基脲六氟磷酸盐（HBTU），1-羟基苯并三唑（HOBT），二环己基碳二亚胺（DCC）等。例如，Guvendiren等将甲基化的左旋多巴在多肽缩合剂HBTU和HOBT共同作用下，接枝到聚（甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸-甲基丙烯酸甲酯）三嵌段共聚物的中间嵌段中。被多巴修饰的聚合物具有水敏感性。Li等通过EDC缩合剂将多巴胺接枝到羧基化的聚乙烯醇中（图2），提高了聚乙烯醇的热稳定性，机械性能，可熔融加工性。崔国廉等将多巴胺接枝到氧化海藻酸钠，得到多巴胺修饰的海藻酸钠。其与胶原蛋白复合，得到水凝胶黏合剂。He等先将多巴胺接枝到明胶大分子上，再与乙烯基功能化的壳聚糖复合成水凝胶前体液。水凝胶前体液经H2O2-抗坏血酸迅速固化成黏性水凝胶，可用于外科手术密封剂和傷口敷料。

加成聚合是利用多巴胺的氨基与含有活泼基团（如，环氧结构）的大分子共价接枝，对材料进行功能化修饰。例如，沙心易等通过加成聚合将多巴胺接枝到环氧树脂上，制备了干湿态双高效胶黏剂。该胶黏剂不仅在干态条件下黏接强度可达（3.03±0.68）MPa;而且在水下环境中，黏接强度可达（0.65±0.10）MPa。Seo等通过加成聚合将多巴胺接枝到聚琥珀酰亚胺大分子链上，制得了多巴胺改性的聚天冬氨酸黏附水凝胶。该黏附水凝胶具有优异的生物相容性。

4 乙烯基修饰的多巴胺聚合

将乙烯基修饰到多巴胺的氨基上，然后通过自由基聚合或原子转移自由基聚合制备高分子材料。自由基聚合一般由偶氮类或过氧化物类引发。常见的偶氮类自由基引发剂有偶氮二异丁腈（AIBN），偶氮二异丁脒盐酸盐（V50）等。Xu等以AIBN引发苯乙烯与多巴胺甲基丙烯酰胺共聚，合成了含多巴胺基团的聚苯乙烯共聚物。共聚物经Fe3+配位偶联固化可用于构筑涂层化表面。Pramudya等以AIBN引发丙烯酰基化多巴与丙烯酰基化胺基吡喃葡萄糖和甲基丙烯酸8-叠氮基辛酯聚合化，制得了三元共聚物胶黏剂。其黏附强度（115kPa）比市售橡胶胶黏剂（5.8kPa）高出20倍。Aurélia Charlot等以水溶性偶氮引发剂V50引发丙烯基化多巴和丙烯酰基化的季铵盐自由基共聚，制得阳离子型聚合物。该聚合物可原位还原硝酸银制备银纳米粒子，得到性能优异的抗菌材料。

5 结语

多巴胺参与的众多聚合反应中，以氧化自聚合最为简便和高效，其次是和多巴胺与双键的迈克尔加成，乙烯基化多巴胺的聚合化和酰胺化接枝等。氧化自聚合虽然简便高效，但作为黏附功能单元的邻苯二酚基团多已被氧化，不适合开发为功能黏性材料。而制备过程稍复杂的多巴胺的乙烯基功能化聚合和酰胺化接枝修饰聚合物，却是优异的高黏性材料，且合成的材料结构更可控。

多巴胺不仅可作为功能化涂层制备生物惰性或生物活性功能化表面，如抗黏附、抗腐蚀、抗菌等;也可接枝到大分子（天然高分子/合成高分子）上制备黏附材料，如组织黏合剂，伤口敷料，仿生黏附水凝胶，导电心脏贴片;还可以制备光热剂用于肿瘤光热治疗，制备核/壳结构用于催化剂载体和药物输送。多巴胺以其简便的自聚合、灵活的掺杂方式，优异的黏附性和生物相容性为新材料的制备提供了广阔思路。

参考文献：

[1]Bibb J A，Snyder G L，Nishi A，et al.Phosphorylation of DARPP-32 by Cdk5 modulates dopamine signalling in neurons[J].Nature，1999，402（6762）：669-671.

[2]赵鸣岐，黄威嫔，胡米.生物医用材料表面高分子基涂層的功能化构筑[J].材料导报，2019，33（001）：27-39.

[3]Ryu J H，Messersmith P B，Lee H.Polydopamine Surface Chemistry-A Decade of Discovery[J].Acs Appl Mater Interfaces，2018：acsami.7b19865.

[4]李红，赵媛媛，彭浩南.多巴胺基纳米材料在生物医药中的应用[J].化学进展，2018，030（008）：1228-1241.

[5]沈佳丽，石畅，施冬健，等.多巴胺对骨修复材料表面改性的研究进展[J].材料导报，2017（21）：54-61.

[6]贺武，帅韬，高明阳，等.聚多巴胺形成的机理及影响因素[J].江西化工，2017（4）.

[7]Haeshin Lee，Shara M.Dellatore，William M.Miller，et al.Messersmith.Mussel-inspired surface chemistry for multifunctional coatings.[J].Science，2007，318（5849）：426-30.

[8]Yanlan Liu，Kelong Ai，Jianhua Liu，et al.Dopamine-Melanin Colloidal Nanospheres：An Efficient Near-Infrared Photothermal Therapeutic Agent for In Vivo Cancer Therapy[J].Adv.Mater.，2013.