聚多巴胺纳米材料研究进展及应用

郭亭亭,慕蓉,任浩浩,孙初锋,李佳

(西北民族大学 化工学院,甘肃 兰州 730030)

从传统的工业技术到近代高科技,表面处理技术起到了不容忽视的作用,涂层技术是表面修饰的重要方法,寻找操作便捷且通用的涂层工艺一直备受关注[1]。基于海洋生物贻贝(mussel) 的仿生化学因其优异的通用性及超强黏附性等优良特点,可以很大程度上提高对材料表界面的控制,已经成为表面修饰技术的重要方法之一,被应用于环境、生物、医学等领域[2]。基于无脊椎贝类的仿生化学主要是通过儿茶酚类化合物(邻苯二酚、多巴胺、没食子酸与丹宁酸等)[3-6]的氧化自聚合从而来达到对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)作为一种可应用于贻贝仿生化学改性得低分子量的儿茶酚胺化合物,其分子结构上富含酚羟基与胺基功能团,在水中就能在很多材料表面发生自聚合,可作为表面仿生黏附剂。多巴胺氧化自聚合形成聚多巴胺(PDA),且在无需额外添加各种还原剂和表面活性剂的情况下通过氢键作用、螯合作用、π-π相互作用、共价键作用等复杂的物理化学作用紧紧地黏附在各种基体表面成膜,其材料功能化克服了传统纳米材料改性时的高污染,反应条件苛刻等缺点,是一种环境友好型试剂。此外聚多巴胺由于具有类似粘性蛋白的结构,形成的薄膜表面含有大量活性基团为进一步修饰改性材料表面提供了条件,具有表面可二次修饰的优点,实现了膜的功能化。不仅如此,还具有较好的生物相容性及低细胞毒性,聚多巴胺与不同类型的细胞(成骨细胞、成纤维细胞、神经元)进行各种体外研究表明,聚多巴胺对细胞活力没有任何显著影响和不良反应,因此,PDA在生物传感、癌症治疗和抗菌等生物医学领域也备受关注。本文综述了基于贻贝仿生PDA改性纳米材料的制备(聚多巴胺纳米片、纳米颗粒),并且探索了这些聚合物复合材料在医学等领域应用方面的最新进展,并进行了展望。

1 聚多巴胺概述与制备方法

多巴胺这一物质曾由Lee[7]等人提出,作为一种位于中枢神经系统中的儿茶酚胺类神经递质,其可以在人体内作为神经传导介质来达到控制情欲的作用,有氧条件下,可自聚合为具有特殊黏附性能的聚多巴胺。伴随着人们对聚多巴胺的深入了解,其制备方法也不断创新,溶液氧化法[8]、电化学聚合法[9]和酶氧化法[10]等新型聚合方法进一步开拓了多种制备PDA的选择途径。

溶液氧化法主要包括氨-乙醇法、Tris-碱缓冲法和NaOH-碱缓冲法。虽然反应条件温和且不需要昂贵的实验仪器,但是这种方法作为涂层材料时,对多巴胺浓度、氧化剂含量、温度、pH值等要求较为严苛,并且此方法中多巴胺聚合速度缓慢,因此不能产生令人满意的结果。电化学聚合法反应速度快,并且不会发生PDA聚集,通常可用于不同基底表面,有助于电极板上的电子转移,但该方法的缺点是需要导电材料进行电聚合。酶氧化法[11]比溶液氧化法更加环保且避免了上述电化学聚合法的局限性,因此被认为是合成聚多巴胺的最佳方法。此方法可视为略氨酸酶氧化产生近似天然黑色素PDA的过程,目前已使用氧化还原酶、转移酶和水解酶作为PDA聚合的催化剂。

2 聚多巴胺的纳米结构

鉴于聚多巴胺特殊的性能,针对不同的需要,聚多巴胺在不同条件下可以被制备出不同的纳米结构[12],基于不同的纳米结构目前已经制备出了更多不同类型的复合材料,下面小节对不同纳米结构的聚多巴胺进行介绍,从而更好地了解基于PDA不同类型的多功能复合材料。

2.1 聚多巴胺纳米片

考虑到PDA界面特性以及它们可组装成更高阶和复合结构的能力,平面的高纵横比Janus粒子(即纳米片)得到了人们的广泛关注。如图1所示,De Leon[13]等开发了一种将Pickering乳液与接枝聚合相结合制备 Janus 2D氧化石墨烯(GO)纳米片的简便方法。制备出了单面带有PMMA的Janus GO纳米片以及对称功能化的类似物,并对这些材料的化学、热学、结构、表面和界面特性进行了表征,这项研究不仅为Janus纳米片的制备提供了一种简便的途径,而且还可视化地展示了从氧化石墨烯表面生长聚合物的过程。Lin[14]等通过肽自组装形成了有单层厚度的Janus二维结构,促使在相对表面上进行双功能化成为可能,因此纳米片可以作为各种材料组分的基底,显示不同反应基团表面的多功能性。此外还观察到纳米片表面的酶组装可以增强催化活性,这便可以模拟在生物膜上发生的酶反应,有利于二维肽自组装。因此研究学者们预计2D-Janus纳米材料可以被设计成表面配体以激发广泛的应用,如药物传递和生物电子传感。

(a)Pickering乳液和接枝聚合相结合获得Janus 2D氧化石墨烯(GO)纳米片方案[13];(b)F6C11在苯丙氨酸和烃尾间自分类后自组装成Janus纳米片的示意图及其纳米片的TEM图像[14];(c)Janus烷基-PDA纳米片的反应流程及其相应的AFM图像[15]图1 基于二维纳米片自组装的例子

Sheng[15]等受贻贝启发以自组装的十八烷胺(ODA)双分子层作为多巴胺聚合的反应模板,研究了烷基聚多巴胺纳米片的合成。其纳米片具有两亲性,可以用来稳定不混溶液体,并且可根据需要来选择性地修饰纳米材料表面。这项工作为制备聚合物Janus纳米片提供一种新的策略,它可以应用于表面改性、催化剂载体和引导自组装等,为纳米材料的改性和表面修饰提供了条件。迄今在制造聚合物和Janus纳米片方面,较差的形态可控性和较低的后修饰限制了它们的应用。因此,使用可扩展的方法制造Janus聚合物纳米片以及方便地操纵界面性质是目前研究的关键目标。

2.2 聚多巴胺纳米颗粒

PDA-NPs(聚多巴胺纳米颗粒)是基于PDA涂层技术开发的,通过将PDA聚合成纳米级颗粒来扩展其利用潜力,对聚多巴胺纳米颗粒而言,尺寸对其物理性质和生物活性都有影响。本质上,PDA-NPs与PDA涂层具有相同的聚合机理,只是PDA-NPs的合成需要添加聚合物抑制剂来控制聚合速度和颗粒形态[16]。水-醇混合溶液是反应中最常用的聚合物抑制剂,因此通过调整水和乙醇的配比可以改变PDA-NPs尺寸和尺寸分布。研究发现在乙醇体积分数为25%～40%的混合溶剂中,可得到分散良好的PDA纳米颗粒[17]。总体而言,PDA-NPs的合成可以通过调整实验参数来控制,例如多巴胺单体用量、溶液pH值、聚合反应时间、温度等。但控制这种仿生多功能材料的粒径、形状和电子特性的因素仍然知之甚少。如图2所示,Ju[18]等报道了一种通过用NaOH中和多巴胺盐酸盐,然后对多巴胺进行自发的氧化,合成了尺寸可控的黑色素纳米颗粒的方法。另外研究结果表明了聚多巴胺纳米颗粒的粒径随pH值的升高而逐渐变小。

(a)NaOH中和盐酸多巴胺,进行自发的空气氧化合成了具有尺寸控制的黑色素纳米颗粒示意图[18];(b)800 ℃ 的氮(或氩)环境中碳化聚多巴胺纳米颗粒的类石墨纳米结构示意图[20];(c)通过氧化剂诱导的多巴胺聚合形成多功能涂层(从左到右:玻璃、铝、聚醚砜、尼龙和纤维素)[19]图2 聚多巴胺纳米颗粒的合成及应用示意图

Wei[19]等报道了一种通过氧化剂诱导的多巴胺涂层进行表面改性的方法,这种表面改性方法与材料无关且具有多功能性。通过氧化剂诱导聚合,可在酸性、中性和碱性等水介质中制备聚多巴胺涂层,因此许多碱性腐蚀性和pH敏感材料也可以在酸性或中性水介质中被多巴胺改性。研究还发现高碘酸钠或氯酸钾等氧化剂会加速碱性水介质中的聚合反应,氧化剂的加入提高了多巴胺在碱性水介质中的反应速度,因此这种氧化剂诱导的方法扩展了聚多巴胺涂层的应用范围。此外,聚多巴胺不仅是一种具有良好光性能的多功能生物聚合物,而且还是可用于不同表面的多功能涂层平台,聚多巴胺的结构和形成是一个十分具有研究价值的领域。在这项研究中,Yu[20]等首次报告了在800 ℃的氮(或氩)环境中碳化的聚多巴胺纳米颗粒中观察到类石墨纳米结构,为聚多巴胺的分层堆叠结构提供了明确的证据,且分析聚多巴胺的层次结构有助于了解它的形成。

受贻贝黏附的启发,PDA和PDA-NPs涂层表现出优异的生物相容性、亲水性和黏附性,PDA-NPs具有丰富的基团,几乎可以使任何生物材料表面功能化,因此可为干细胞提供特定平台,通过调整合成条件或氧化方法,可以优化PDA-NPs的直径和形态,以获得更好的物理和化学性质。在过去十年中,研究人员更多地关注PDA-NPs和PDA衍生NPs的抗菌、抗氧化/抗炎、电导率等特性。随着对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,以满足生物医学应用中的特定需求。

3 聚多巴胺纳米材料在医学方面的应用

随着科学技术的发展,纳米材料已逐步融入到了我们的生活应用中,这也为聚多巴胺纳米复合材料的制备提供了广泛的市场前景。聚多巴胺与各种大小和性质不同的纳米结构融合在一起,从而产生的新型多功能纳米材料在纳米医学,可应用于癌症治疗方面,且有望成为新一代骨组织工程支架材料[21]。Chen[22]等报道了一种基于PDA和金属有机框架(MOF)的结构。利用儿茶酚基团的螯合能力,在PDA粒子上沉积Fe2+离子,然后通过与三聚酸重复反应进行MOF壳的生长。所得材料具有较高的表面活性,因此可提供治疗。Li等[23]将PDA与边缘为Bi2Se3的两层纳米板制备为多功能复合材料,这里使用血清蛋白来确保纳米结构的胶体稳定性,保护药物不被快速降解,因其细胞毒性降低,因此,在抗癌治疗中显示出有效的性能。由于PDA可与过渡同位素和放射性同位素相结合,这一性质也可应用于重金属方面(HgII、PbII、CuII)[24],其可被作为一种光热剂,并与其他治疗方法相结合用于提高治疗的效果,因此,PDA广泛被应用于放射性同位素癌症治疗[25]。

DA中含有大量的邻苯二酚、氨基等活性官能团,因此可以通过共价或非共价的方式将骨修复材料与生长因子结合起来,骨组织的再生能力随着两者结合力的增加而显著提高。因此,多巴胺作为工程支架与细胞的连接桥梁,很大程度上克服了传统医疗器械植入物带给人的危害[26]。PDA 涂层在体外还表现出不同细胞类型的良好附着性和成骨分化。则Wu[27]等证明了 PDA 修饰的多孔二氧化硅支架在骨修复方面,显示出了骨髓基质细胞的增殖和分化,表明成骨特性增强。此外,PDA 涂层也已被证明可以积极刺激其他类型的骨相关细胞的活性,如小鼠成骨细胞和人成骨细胞。

4 总结与展望

纳米科学技术有希望从根本上克服人类所面临的能源损耗、身体健康和环境污染等重大问题,伴随在纳米材料研究领域的不断探究,其在不同领域都受到了广泛重视。

1)聚多巴胺可通过多巴胺的氧化自聚合被涂覆在基底表界面,因其超强黏附性、还原性及其良好的生物相容性,聚多巴胺及其衍生的复合材料已经被广泛应用于催化、医学等领域。

2)聚多巴胺及其衍生的复合材料功能化克服了传统纳米材料改性时存在的二次污染等缺点,且聚多巴胺纳米粒子的官能团可以和抗癌等药物结合,达到包裹和释放药物的作用,因此这种生物启发性涂层技术受到了医学界的广泛关注。

3)如今已经有很多成功的例子可以证明这种通过对固体、膜或者纳米材料等基底进行表面改性制备出的新型多功能材料的重要地位,且目前人们还在不断探索它的创新应用,因此聚多巴胺纳米材料的精准合成与其性能关系的研究也具有十分重要的理论意义,通过合成创新,挖掘其应用潜力已是研究者们的持续奋斗目标。