本文關(guān)鍵詞：聚多巴胺在生物材料表面改性中的應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

PＲOGＲESSIN

CHEMISTＲY

*

DOI：10.7536/PC140921

聚多巴胺在生物材料表面改性中的應(yīng)用

劉宗光

＊

翁屈樹新＊

杰

材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

成都610031）

（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院摘

要

可在海水等潮濕環(huán)境中牢固黏附在各海洋生物貽貝通過其足腺分泌的具有超強(qiáng)黏附性能的蛋白，

種材料的表面。受此黏附蛋白的啟發(fā)，研究發(fā)現(xiàn)聚多巴胺（PDA）具有類似于貽貝黏附蛋白的結(jié)構(gòu)和超強(qiáng)黏PDA可在各種材料的表面迅速成膜，附性能。在堿性條件下，其中含有大量親水的羥基和氨基官能團(tuán)，可提高材料表面的親水性和化學(xué)多功能性；PDA可作為中間層，在基底材料表面強(qiáng)力結(jié)合功能分子。由于PDA的形成過程簡單且不需要有機(jī)溶劑，近年來常被應(yīng)用于材料的表面改性。此外，由于PDA可促進(jìn)細(xì)胞的黏附，具有良好的生物相容性，在生物材料表面改性中也有較多的應(yīng)用。本文將綜述PDA的黏附機(jī)理及其在生物材料表面改性中的應(yīng)用，并提出PDA在生物材料表面改性應(yīng)用中的展望及研究過程中存在的問題，為PDA在生物材料和組織工程中的應(yīng)用提供參考。

貽貝仿生聚多巴胺表面改性生物材料

0212-08281X（2015）02/3-中圖分類號：O632；O647.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1005-關(guān)鍵詞

ApplicationofPolydopamineinSurfaceModificationofBiomaterials*

LiuZongguang

＊

QuShuxin＊WengJie

（KeyLabofAdvancedTechnologiesofMaterials，MinistryofEducation，SchoolofMaterialsScienceandEngineering，SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu610031，China）Abstract

Inspiredbythestrongadhesiveproteinssecretedbymusselsforattachmentontoawiderangeof

substratesinwetcondition，somereportsindicatedthatpolydopamine（PDA）possessesthesimilarstructureandstrongadhesiontothoseofadhesiveproteins．PDAfilmcanbeformedonthesurfaceofsubstrateinalkalinesolutionexpeditiously，whichresultsintheimprovementofthehydrophilyandthechemicalversatilityofsubstrateduetothehydrophilichydroxylandaminogroupsofPDA．ThePDAlayercanbeusedasanintermediatetoanchorfunctionalmoleculesonthesurfacethroughchemicalbonds（byMichaeladditionorSchiffbasereaction）orotherphysicalbonds（hydrogenbondorvanderWaals’force）．PDAsurfacemodificationstrategyisextremelyusefulbecausetheprocessissimpleandsolvent-free．Moreover，duetotheimprovementofcelladhesionandbiocompatibility，PDAhasbeenwidelyusedinsurfacemodificationofbiomaterials．Inthisreview，adhesivemechanismandapplicationofPDAinsurfacemodificationofbiomaterialshavebeensummarized．Inaddition，theproblemsexistedandthepromisingprospectsoftheapplicationofPDAinbiomaterialsarepointedout．ThisreviewalsoprovidesusefulinformationforthepotentialapplicationofPDAinbiomaterialsandtissueengineering．Keywords

mussel-inspired；polydopamine；surfacemodification；biomaterials

收稿：2014年9月，收修改稿：2014年11月，網(wǎng)絡(luò)出版：2015年3月5日

*國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目（No．2012CB933602），國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No．51372210）和高等學(xué)校博士點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目（No．20130184110023）資助

TheworkwassupportedbytheNationalBasicＲesearchProgramofChina（973Program）（No．2012CB933602），theNationalNaturalScienceFoundationofChina（No．51372210）andtheＲesearchFundfortheDoctoralProgramofHigherEducationofChina（No．20130184110023）．＊＊Correspondingauthor

e-mail：qushuxin@swjtu．edu．cn

http：//www．progchem．a(chǎn)c．cn

ProgressinChemistry，2015，27（2/3）：212～219

Polydopaminehasbeenwidelyusedinsurfacemodificationofbiomaterials，e．g．inductionofsurfacemineralizationandimmobilizationofnano-particles，biomolecule，anddrug，etc．，throughchemicalor/andphysicalbonds．

Contents1233.13.23.33.43.53.63.74

Introduction

FormationprocessandmechanismofPDAApplicationofPDA

IncreasingthehydrophilicityofbiomaterialswithPDA

ImmobilizingdrugsorgrowthfactorswithPDAImmobilizingsilvernanoparticleswithPDAImmobilizingproteinswithPDA

IncreasingthebiocompatibilityofsubstrateswithPDA

InducingmineralizationsubstrateswithPDA

ApplicationofPDAinotheraspectsConclusionandoutlook

on

the

surface

of

學(xué)交聯(lián)固化，實(shí)現(xiàn)貽貝在各種材料表面的超強(qiáng)黏

［4，5］

。附

DA）因其結(jié)合DOPA的兒茶多巴胺（dopamine，

酚官能團(tuán)和賴氨酸的端氨基官能團(tuán)，也被證明具有

［6～8］

，DA的結(jié)構(gòu)式如圖式1所示。超強(qiáng)的黏附性能

DA在堿性溶液中可發(fā)生氧化自聚合，在材料表面

PDA）形成具有超強(qiáng)黏性的聚多巴胺（polydopamine，

［8］

層，從而實(shí)現(xiàn)在各種材料表面的超強(qiáng)黏附。類PDA的超強(qiáng)黏附性能是由似于貽貝的黏附蛋白，

于其含有的兒茶酚官能團(tuán)可與基底材料表面形成共價(jià)鍵或非共價(jià)鍵（氫鍵、范德華力或堆積作用力）的結(jié)合

［9］

。

1引言

貽貝依靠絲足末端的足盤使其可以在海水等潮

濕的環(huán)境下黏附在巖石、木材、金屬和聚合物的表面

［1］

。研究發(fā)現(xiàn)，貽貝足腺分泌出具有超強(qiáng)黏附性

圖式1構(gòu)式

DA）的結(jié)多巴（DOPA）和多巴胺（dopamine，StructureofDOPAanddopamine

能的物質(zhì)，其主要成分為黏附蛋白（musseladhesiveproteins，MAPs），分別被鑒別和命名為MAP1至MAP6，其中分布于足盤與固體的接觸界面上的黏附MAP5和MAP6［2］。這些黏附蛋白中蛋白有MAP3、

3，4-主要包含了經(jīng)絡(luò)氨酸轉(zhuǎn)譯修飾后形成的L-二羥3，4-dihydroxyphenylalanine，DOPA，苯丙氨酸（L-多

［3］

巴）和少量的賴氨酸殘基。DOPA中的兒茶酚官

MAPs通過能團(tuán)具有化學(xué)多功能性和高親和力，

DOPA中的兒茶酚官能團(tuán)（圖式1）的黏附和快速化

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219化學(xué)進(jìn)展，

Scheme1

目前，國內(nèi)外已有一些的相關(guān)綜述，涉及納米材

料、功能材料、能源材料、環(huán)境材料及生物科學(xué)等

［10～22］

。由于PDA可促進(jìn)細(xì)胞的黏附，具有良好

的生物相容性，，在生物材料表面改性中應(yīng)用較多。本文將特別關(guān)注PDA在生物材料表面改性中的應(yīng)用，為PDA在組織工程中的廣泛應(yīng)用提供參考。

·213·

2PDA的形成過程和機(jī)理

目前，其形成機(jī)理尚因PDA的形成過程復(fù)雜，

不完全清楚。有學(xué)者認(rèn)為PDA的形成為單純的化學(xué)聚合，其中一種反應(yīng)方式為直接氧化聚合，即DA首先被氧化生成多巴胺醌，而后再發(fā)生氧化和聚合反應(yīng)，形成PDA，反應(yīng)過程如圖式2所示

［9，23］

。

圖式4非共價(jià)聚合生成PDA的反應(yīng)過程

［24，25］

Scheme4

圖式2

直接氧化交聯(lián)聚合生成PDA的反應(yīng)過程

［9，23］

［9，23］

MechanisticschemefortheformationofPDAby

25］

non-covalentpolymerization［24，

Scheme2MechanisticschemefortheformationofPDAby

directoxidationandcross-linking

6-二羥基吲哚（DHI，黑色素的前驅(qū)體）；第二步：DA的非共價(jià)自組裝。兩個(gè)DA分子和一個(gè)DHI分子進(jìn)行物理自組裝，形成物理三聚物；第三步：兩個(gè)DHI聚合成二聚體，再和一個(gè)DA分子形成三聚體；第四步：兩個(gè)三聚體和第二步形成的物理三聚體組裝形成PDA。

由于PDA形成機(jī)制的復(fù)雜性和檢測手段的局限性，導(dǎo)致現(xiàn)有文獻(xiàn)中提出不同PDA形成機(jī)制。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究和理論推測，物理與化學(xué)的共同作用形成機(jī)制（圖式5所示）較全面。首先，上述不同PDA形成過程和機(jī)理的最初反應(yīng)均為DA氧化成多巴胺醌，此為目前學(xué)者們公認(rèn)的反應(yīng)。其次，結(jié)合PDA在改性后材料表面形成的膜狀及顏色（短時(shí)間為黃

DA首先被氧另一種反應(yīng)方式為反歧化交聯(lián)，

化生成多巴胺醌，然后與DA分子發(fā)生反歧化反應(yīng)生成半醌自由基，最后交聯(lián)生成PDA，反應(yīng)過程如

［3］

圖式3所示。

圖式3反歧化交聯(lián)聚合生成PDA的反應(yīng)過程

［3］

Scheme3MechanisticschemefortheformationofPDAby

色，長時(shí)間為黑色），可推測出DA發(fā)生了化學(xué)交聯(lián)

PDA并按照類似于黑色素的形成路徑進(jìn)行。最后，形成過程中將在溶液表面形成氧化膜，阻礙氧氣的

進(jìn)入，因此溶液中可能有部分未聚合的DA分子，為物理自組裝過程提供了可能。

最終形成的PDA均具有不同程度的對稱性，并且最終產(chǎn)物均含有大量的羥基和氨基官能團(tuán)，為改性后的表面提供二次反應(yīng)（邁克爾加成反應(yīng)或席夫堿反應(yīng)）所需的活性基團(tuán)

［8］

reverse-dismutationandchemicalcross-linking［3］

但有學(xué)者認(rèn)為PDA不是通過共價(jià)鍵結(jié)合的聚

合物，而是單體通過很強(qiáng)的非共價(jià)鍵力（包括電荷轉(zhuǎn)移、π-π堆積和氫鍵）結(jié)合在一起，這些非共價(jià)作用使PDA具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和水不溶性，其反應(yīng)過程如圖式4所示

［24，25］

。

。

Hong等［26］通過高效液相色譜結(jié)合核磁共振氫譜分析PDA的反應(yīng)過程，得出PDA的形成為非共價(jià)自組裝和化學(xué)共價(jià)聚合的共同作用，其反應(yīng)過程如圖式5所示。第一步：DA氧化。DA首先在有氧的環(huán)境下失去2個(gè)電子，被氧化成多巴胺醌式結(jié)構(gòu)，然后本身發(fā)生親核反應(yīng)（邁克爾加成反應(yīng)），形成5

，

·214·

3PDA的應(yīng)用

PDA形成過程簡單且不需要有機(jī)溶劑［27］，僅需

HCl緩沖液或其他堿將材料浸入含DA的堿性Tris-［8］

PDA被因此，性溶液中，即可在表面形成PDA層，

廣泛應(yīng)用于材料的表面改性。PDA具有良好的生

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圖式5［26］

物理和化學(xué)聚合生成PDA的反應(yīng)過程

Scheme5MechanisticschemefortheformationofPDAbyphysicalself-assemblyandchemicalpolymerization［26］

改性后的表面利于細(xì)胞的黏附，在生物材物相容性，

料表面改性中的應(yīng)用也逐漸增多。下文將從PDA在提高材料表面親水性、固定藥物、銀納米顆粒和蛋白質(zhì)、提高生物相容性和引導(dǎo)材料表面礦化幾個(gè)方面的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

3.1PDA提高生物材料表面親水性

PDA中含有大量的氨基和羥基等親研究發(fā)現(xiàn)，

水性官能團(tuán)，可為疏水性表面提供親水基團(tuán)，從而提高疏水生物材料的親水性能。Ku等

［28］

統(tǒng)物理或化學(xué)處理表面改性的復(fù)雜程序和不均勻性等不足，為疏水性生物材料的廣泛應(yīng)用提供可能。

PDA改性為進(jìn)一步錨定功能團(tuán)或功能分子提此外，

供活性官能團(tuán)。3.2

PDA固定藥物或生長因子

為了提高組織工程支架的功能化作用，常需要在其表面固定藥物或生長因子，然而，這些物質(zhì)與支架表面的結(jié)合力較弱，難以實(shí)現(xiàn)藥物或生長因子的固定、控釋或持續(xù)釋放。PDA可黏附在任何固體材料的表面，并且PDA表面含有大量的兒茶酚和氨基等活性官能團(tuán)，有利于二次反應(yīng)，即PDA可通過共價(jià)鍵（邁克爾加成反應(yīng)或席夫堿反應(yīng)）或非共價(jià)鍵（范德華力和氫鍵等）作用結(jié)合支架與藥物或生長因子

［31，32］

利用PDA

對聚乙烯（PE）和聚四氟乙烯（PTFE）等疏水表面進(jìn)

行表面改性，發(fā)現(xiàn)其接觸角明顯下降，改變?yōu)橛H水性表面。Ku等

［29］

還利用PDA對聚己內(nèi)酯（PCL）納米

［30］

纖維表面改性，發(fā)現(xiàn)改性前后其水接觸角為92.4°和15.5°，分別呈疏水和親水表面。Xi等

用PDA

對疏水的PE、聚偏氟乙烯（PVDF）和PTFE多孔薄膜表面改性，提高了多孔聚合物的親水性。此方法過程簡單且適用于各種固體材料的表面，克服了傳

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219化學(xué)進(jìn)展，

，提高它們之間的結(jié)合力。

Zhu等［33］將PDA改性后的PE多孔薄膜浸入含有肝素的溶液，通過共價(jià)結(jié)合固定肝素，提高了PE的表面親水性和血液相容性。謝檳等［34］通過類

·215·

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  本文關(guān)鍵詞：聚多巴胺在生物材料表面改性中的應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：100132