聚多巴胺形成的机理及影响因素Word格式.docx

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和贻贝黏附蛋白一样，PDA同样具有很强的黏附性能，在潮湿的环境下几乎可以黏附在所有的材料表面，如无机材料、有机材料、金属（贵金属金、银、铂、钯等）及金属氧化物（二氧化钛、氧化铝等）、非晶态二氧化硅、石英、陶瓷（玻璃、羟基磷石灰等）甚至聚合物（聚苯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯等）；

同时，PDA还含有丰富的邻苯二酚羟基和氨基活性基团，能够与含有氨基（-NH2）和巯基（-SH）等基团的有机聚合物和生物分子发生二次反应，形成有机聚合物涂层或生物分子涂层，从而使物体表面进一步功能化。

自2007年Messersmith等人提出了PDA仿生修饰技术后[5]，PDA及其衍生物在各领域的应用前景引起了众多学者的密切关注，关于此方面的研究报道也日渐增多（图2）。

随后，PDA仿生修饰技术向多元化发展，成为众多学科交叉研究的热点，在生物粘合剂、分

离膜、传感器、光电磁功能材料、药物控释、摩擦学等领域得以广泛应用。

尽管目前已有较多关于PDA在表面修饰方面的应用研究报道，但关于PDA自身的形成过程研究还不透彻，其形成机理也众说纷纭。

本文综述了近年来关于PDA沉积过程的相关报道，以期厘清PDA形成的可能机理及影响因素，为PDA的可控聚合提供参考。

2聚多巴胺形成机理及分子结构

多巴胺分子具有多个化学反应位点，由其形成PDA的过程非常复杂。

并且，除强碱溶液（pH>

13）外，几乎没有溶剂能够溶解PDA。

这些原因都使得PDA形成机理及具体化学结构至今众说纷纭，没有定论。

根据现有的研究报道，我们将PDA形成机理分为以下几类：

（1）基于平衡移动原理的“氧化-聚合”机理；

（2）非共价键作用机理；

（3）真黑色素形成机理；

（4）自由基反应机理。

下面，我们将对其进行一一阐述。

早在1995年，Herlinger等人就对多巴胺氧化的动力学过程进行了详细研究，并提出了其可能的聚合过程[6]。

2006年，Xie等对多巴胺电化学“氧化-聚合”过程进行了研究，并明确提出了基于平衡移动原理的多巴胺氧化机理（图3a）[7]。

这一机理也被其他研究者广泛应用于解释多巴胺在弱碱性水溶液中由空气诱导的自聚合过程[5]。

机理认为，多巴胺的邻苯二酚基团首先被氧化，生成具有邻苯二醌结构的多巴胺醌（dopaminequinone，DAQ），然后通过1，4-迈克尔加成发生分子内环化反应，最后经氧化和重排生成5，6-二羟基吲哚（5，6-dihydroxylindole，DHI），该化合物与其氧化产物吲哚5，6-醌（5，6-indolequinone）可在2、4和7等位点处产生支化（图3b）[8]，生成具有不同聚合度的多种同分异构体，主要为二聚体或其他低聚体。

这些低聚体通过邻苯二酚与邻苯二醌之间的反歧化反应（图3c），产生半醌自由基，然后耦合形成交联键，生成具有交联结构的PDA复合层[9，10]。

由此机理可以推断，沉积体系的pH值会影响平衡反应的移动，氧气浓度会影响多巴胺的氧化。

换言之，pH值和氧气浓度是影响PDA形成的两个重要因素。

大量的实验结果恰恰证明了这一推断。

关于pH值对PDA形成的影响，我们将在下文3.2部分详细讨论。

关于氧气浓度对PDA形成的影响，Kim等[11]进行了详细的研究。

他们发现，如果在沉积溶液中通氮气以除去溶解氧气的话，多巴胺将不会发生聚合反应。

他们还比较了以空气和氧气为氧化剂时，多巴胺在水溶液中的聚合速率及形成的PDA薄膜的结构。

结果表明，增加体系中的O2浓度可以加快多巴胺的氧化聚合反应，且使PDA组装体的结构更为有序，得到的PDA薄膜表面粗糙度显著降低。

但也有学者[12]认为PDA不是通过共价键结合的聚合物，而是单体通过很强的非共价键力（包括电荷转移、π-π堆积和氢键）结合在一起，这些非共价作用使PDA具有很强的稳定性和水不溶性（图3d）。

通过高效液相色谱结合核磁共振氢谱分析PDA的反应过程，Hong等[13]也认为PDA的形成为非共价自组装和化学共价聚合的共同作用（图3e）。

一方面，前期反应生成的DHI通过氧化聚合的方式形成二聚体，进一步与另一分子DA反应，形成三聚体；

另一方面，两个DA分子和一个DHI分子通过非共价键作用（如氢键等），形成三聚体。

随着聚合反应的进行，最终形成PDA。

PDA在水溶液中的组装路径与天然真黑色素（eumelanin）在生物体内的合成途径极为相似，且PDA与真黑色素都有着极其复杂的组成和分子结构，并表现出相似的物理化学性质。

因此，PDA也被一些研究者们称为多巴胺-黑色素（dopamine-melanin）。

实际上，黑色素的结构模型对研究多巴胺的自聚合具有重要的引导的作用。

研究者根据黑色素模型[14]，提出了多巴胺在溶液中可能经历的三条反应途径，如图4所示。

在a路线中，多巴胺首先不发生环化加成反应，而是直接生成三聚体，然后经过分子内环化形成DHI结构单元；

b路线与图3a所示反应一致，多巴胺首先生成DHI，该化合物进一步聚合形成低聚物，并部分发生氧化断裂，导致分子中产生吡咯羧酸结构；

c路线则结合了邻苯二酚容易氧化成为邻苯醌的特性，由DHI进攻多巴胺醌或其他醌式低聚物，生成具有混合结构的低聚物。

此模型在先前的研究基础上，对多巴胺可能发生的化学反应进行了扩充，并强调了单体的共价结合在聚合反应初期的重要性。

多巴胺分子结构中包含多个活性位点，可能会存在多种聚合路径。

为了研究其聚合机理，Cui等[15]以含有较少活性位点的多巴胺的衍生物MOE（2-（4-methoxy-3-methylphenyl）ethylamine，图5a）作为模型单体进行聚合反应。

研究结果表明，MOE可通过自由基聚合形成线型高分子。

由于MOE含有较少的活性位点，根据集合论可知，MOE的可能聚合反应之集合（RMOE）应是多巴胺的可能聚合反应之集合（RDA）的子集，即RMOE包含于RDA。

因此，多巴胺的聚合反应之中应包含自由基聚合。

由于多巴胺结构的复杂性，可能并行存在着多个聚合反应路径。

发生自由基聚合之后，PDA上仍残留着活性基团，可进一步发生交联反应，从而使最终产物不溶。

其他研究者的工作还发现反应体系中的自由基对提高多巴胺的聚合沉积速率有重要影响。

例如，Xu等[16]在沉积溶液中加入了CuSO4/H2O2，使得PDA的沉积速率大大加快（图5b）；

Levkin等[17]以紫外光辐照加速了多巴胺的聚合过程（图5c）。

研究者认为，聚合加速主要是由于在溶液中产生了具有强氧化能力的含氧自由基（如加速了多巴胺的氧化过程。

我们认为，自由基的存在不仅可以加速多巴胺的氧化过程，还可能引发了多巴胺的自由基聚合，这也会使得PDA的沉积加速。

由于PDA形成机制的复杂性和检测手段的局限性，导致现有的文献中提出不同PDA形成机制。

根据大量的实验研究和理论推论，共价键和非共价键共同作用形成机制较为全面、可靠。

首先，上述不同PDA形成过程和机理的最初反应均为多巴胺氧化成多巴胺醌，此为目前学者们公认的反应。

其次，结合PDA在改性后材料表面形成的膜状及颜色（短时间为黄色，长时间为黑色），可推测出多巴胺发生了化学交联并按照类似于黑色素的形成路径进行。

最后，PDA形成过程中可能有部分未聚合的多巴胺分子，为非共价键组装过程提供了可能。

3影响聚多巴胺形成的因素

多巴胺浓度/反应温度/反应时间、溶液酸碱度（pH值）、外加化合物等因素会影响多巴胺的反应速率及PDA组装体的结构形态。

研究这些因素有利于优化PDA的沉积条件，实现可控制备。

3.1多巴胺浓度、沉积温度/时间的影响

Ou等[18]详细分析了上述三个因素对PDA薄膜沉积的影响。

结果表明，在沉积时间10h内，整个生长过程呈现出先快后慢的特征（图6a，6b）。

这与Messersmith等[5]的研究结果是类似的。

他们发现，在沉积时间10h内，PDA薄膜厚度增加较快；

10h后，薄膜厚度增加变慢；

24h后，涂层厚度基本不发生变化。

其他研究者[19，20]也独立发现了类似的结果，薄膜厚度最终稳定在40nm左右（图6c，8c）。

这可能是由于随着反应的进行，多巴胺单体分子逐渐被消耗，从而导致沉积速率降低。

为了制备更厚的PDA薄膜，Bernsmann等[20]提出了两种方法，一种是在多巴胺水溶液中加入Cu2+。

在这种情况下，Cu2+起到氧化和螯合双重作用。

具体来说，一方面，Cu2+能够氧化多巴胺，诱导其产生聚合反应；

另一方面，通过Cu2+的螯合作用，多巴胺聚合产生的黑色素粒子等能够稳定的沉积到薄膜表面。

经过80余小时的沉积后，薄膜厚度约为70nm。

并且，PDA薄膜的厚度随时间线性增长，没有出现先快后慢的变化特征（图6c）。

另一种方法是定期在反应体系中添加新鲜的多巴胺溶液。

结果表明，通过7次的重复沉积，薄膜厚度可达约280nm。

并且，由于多巴胺得到及时补充，在整个沉积过程中，薄膜厚度随时间线性增加（图6d）。

图6a，6b还展示了沉积温度和多巴胺浓度对沉积的PDA薄膜厚度的影响。

由图可知，随着沉积温度、多巴胺浓度的增加，薄膜沉积加速。

Jiang等[21]也发现PDA沉积速率随沉积温度的升高而增大（图6e）。

Ball等[20]也发现PDA的沉积速率随前驱体多巴胺浓度的增大而加快；

然而，超出一定浓度范围，继续提高多巴胺浓度则对其沉积速率无明显影响（图6f）。

多巴胺浓度、沉积温度、沉积时间等因素还会影响PDA薄膜的表面形貌、表面润湿性等。

例如Ou等[18]、Ball等[19]、Jiang等[21]都发现，随着沉积时间的延长（图7a-f）、沉积温度的升高（图7i）、多巴胺单体浓度的的升高，薄膜表面变得更粗糙。

Ou等[18]和Jiang等[21]进一步发现，表面粗糙度的升高会使得表面亲水性增加（图9）。

粗糙度对表面润湿性的这种影响可以利用等式1所示的Wenzel润湿模型进行解释[18]。

cosθw=r·

cosθy

（等式1）

其中，θw、θy、r分别为粗糙表面真实接触角、光滑表面理想杨氏接触角、粗糙度因子（真实表面积与投影面积之比，始终大于1）。

对于PDA来说，其表面存在大量极性基团，因此，θy小于90°

。

在这种情况下，粗糙度的存在会使得等式2恒成立：

θw<

θy

（等式2）

并且，表面越粗糙，θw越小。

换言之，对于亲水样品而言，粗糙结构会使表面变得更亲水；

表面粗糙度越大，表面亲水性越强。

3.2溶液酸碱度（pH值）的影响

PDA的形成反应对溶液的pH值非常敏感，只有溶液的pH值在一定的范围内（通常为弱碱性）才能够使多巴胺自聚成膜并黏附在材料表面上。

从图3a可以看出，在PDA形成的“氧化-聚合”过程中，有H+离子的生成。

在弱碱性环境下，生成的H+离子很快被消耗掉，有利于反应向着聚合的方向移动。

很多研究都证明，pH=8.5的弱碱性环境最有利于PDA的聚合沉积。

例如，Messersmith等[5]首次报道的PDA的沉积就是在pH=8.5的TRIS-HCl缓冲溶液中进行的。

Jiang等[22]和Zhu等[23]还研究了，在不同pH值的沉积溶液中，表面沉积了PDA的聚醚砜和聚乙烯滤膜的润湿性。

结果表明，当沉积溶液pH=8.5时，滤膜表面沉积的PDA最为有效，亲水性最强（图8a，8b）。

酸性条件下，多巴胺自聚合产生的H+离子难以除去，由氧气引发的多巴胺的自聚合过程会大大延缓（图3a所示平衡反应向左）。

因此，过低的pH值会抑制甚至完全阻止PDA的形成。

Ball等[19]、Li等[24]、Zhao等[25]研究了酸性条件下PDA的沉积，结果表明，当pH将至7至6时，PDA的沉积被极大的抑制。

当pH降低至5左右时[19，25]，PDA几乎不能形成（图8c）。

然而，如果在溶液中加入氧化剂（例如过硫酸铵[25]或Cu2+[20]时，即使在酸性条件下（pH=4.0[25]、pH=～4.5[20]），多巴胺也可以发生聚合。

除了加入强氧化剂之外，Levkin等[17]以紫外光辐照的方式实现了多巴胺在pH=2的酸性溶液下的沉积（图8d）。

Cui等[12]认为，此时的聚合反应不再受“平衡移动机理”控制，反应机理主要是自由基聚合。

加入的过硫酸铵等作为自由基引发剂，能够诱导多巴胺进行自由基聚合。

最近，Zheng等[26]通过水热反应（120℃或160℃，16h）在酸性更强的溶液中（pH～1）也沉积了PDA。

而且，该方法制得的PDA显示出与弱碱性环境下制得的PDA相似的化学结构和性能。

在如此强列的酸性条件下，PDA的形成机理虽不十分清楚，但研究者认为，高温高压环境有利于水的自电离和裂解，从而有利于在沉积体系中产生更多的OH-离子和OH·

自由基。

根据此文上部分的讨论可知，体系中产生的OH-离子和OH·

自由基均有利于多巴胺的聚合反应。

3.3外加化合物

在利用PDA对材料表面进行修饰时，我们关注的另一个重点在于如何抑制PDA在溶液中的快速反应，避免严重团聚造成的薄膜沉积不可控。

研究表明，在沉积体系中加入特定的物质，使得其能与多巴胺发生物理或化学作用，可对PDA的沉积进行调控。

例如，Xu等[27]将低分子量的聚乙烯亚胺（PEI）加入到多巴胺水溶液中，在聚丙烯微孔膜表面共沉积了PDA/PEI薄膜。

该法不仅缩短了沉积时间（沉积时间缩短至4小时左右），还提高了聚丙烯微孔膜的亲水性与渗透性。

由于PEI与PDA共价作用的存在（如图9a所示），破坏了溶液中的PDA颗粒的形成，减少聚丙烯微孔膜堵孔的发生，同时PDA膜的耐碱性也得到提高。

Zhang等[28]还选取了三种非离子聚合物（聚乙二醇PEG、聚N-乙烯基吡咯烷酮PVP、聚乙烯醇PVA，具体结构如图9b所示）与多巴胺混合，并在硅片或玻璃表面成膜。

这三种非离子聚合物都没有能够与多巴胺或PDA发生化学反应的氨基、巯基等；

但是，它们都能够与氨基或羟基形成氢键。

其中，PEG是弱的氢受体，PVP是强的氢受体，PVA既可以是氢的受体也可以是氢的给体，取决于与其相互作用的分子。

研究结果表明，通过简单的非共价键（氢键），PEG和PVA即可复合到PDA膜中；

而PVP由于是强的氢受体，对PDA的形成有抑制作用。

换言之，由于是强的氢受体，PVP与多巴胺单体发生强烈作用，阻止了多巴胺分子进一步的聚合反应，破坏了多巴胺及其聚合物之间的共价-非共价键相互作用，故在高浓度的PVP水溶液中，多巴胺的氧化-自聚反应几乎不能发生。

研究者还等发现，外加正十二硫醇（n-dodecanethiol）[29]、甲醇[6]或乙醇[30]都可以降低多巴胺在水溶液中的反应速度。

这是因为，正十二硫醇为邻苯醌的还原剂，其能够将邻苯醌还原为邻苯二酚结构，从而有效抑制多巴胺的进一步氧化聚合反应（图9c）。

而甲醇和乙醇则是自由基捕获剂，抑制了PDA的聚合反应。

上述例子说明在沉积体系中加入的分子能够与多巴胺或PDA相互作用。

一方面，这种相互作用能够在PDA结构中形成新的共价键/非共价键作用，从而形成新的复合薄；

另一方面，这种相互作用能够改变PDA聚合过程中的某一特殊步骤，达到调节薄膜沉积的目的。

另外，上述例子可以根据上文讨论的PDA聚合机理进行解释，这也进一步从侧面印证了在PDA的聚合机理的正确性，为上文“聚多巴胺形成机理及分子结构”的观点提供了新的依据。

4结论与展望

基于聚多巴胺的表面改性适用于任何基体材料（包括典型抗黏附材料聚四氟乙烯）且对样品的外形和尺寸也没有特殊要求，因此一经报道就引起了研究者的广泛关注。

然而，聚多巴胺分子结构复杂，人们对于其形成机理和在水溶液中的沉积特性/影响因素等仍没有完全理解。

针对这些问题，本文简要总结了聚多巴胺在水溶液中聚集机理和影响其沉积的因素。

从这些工作中，我们可以得出如下结论：

（1）聚多巴胺在水溶液中的聚集机理包括共价键与非共价键作用。

共价键作用的反应途径为初始的多巴胺氧化和随后的氧化产物聚合。

非共价键作用机理认为，在聚多巴胺形成过程中，有部分未聚合的多巴胺分子，它们自身或与多巴胺氧化产物通过非共价键力（包括电荷转移、π-π堆积和氢键）结合在一起，形成聚多巴胺。

（2）聚多巴胺的沉积受到溶液中多种因素的影响。

这些因素包括多巴胺浓度/反应温度/反应时间、溶液酸碱度（pH值）、外加化合物等。

研究这些因素有利于优化聚多巴胺的沉积条件，实现可控制备。

参考文献：

[1]SeverMJ，WeisserJT，MonahanJ，SrinivasanS，WilkerJJ.Angew.Chem.Int.Ed，2004，43：

448.

[2]CrispDJ，WalkerG，YoungGA，YuleA.J.ColloidInterfaceSci.，1985，104：

40.

[3]WaiteJH，QinX.Biochemistry，2001，40：

2887.

[4]DalsinJL，MessersmithPB.Mater.Today.，2005，8：

38.

[5]LeeH，DellatoreSM，MillerWM，MessersmithPB.Science，2007，318：

426.

[6]HerlingerE，JamesonRF，LinertW.J.Chem.Soc.PerkinTrans.2，1995，2：

259.

[7]LiY，LiuM，XiangC，XieQ，YaoS.ThinSolidFilms，2006，497：

270.

[8]SimonJD，PelesDN.Acc.Chem.Res.2010，43，1452.

[9]BurzioLA，WaiteJH.Biochemistry，2000，39，11147.

[10]vanderLeedenMC.Langmuir，2005，21，11373.

[11]KimHW，McCloskeyBD，ChoiTH，LeeC，KimMJ，FreemanBD，ParkHB.ACSAppl.Mater.Interfaces，2013，5：

233.

[12]DreyerDR，MillerDJ，FreemanBD，PaulDR，BielawskiCW.Langmuir，2012，28：

6428.

[13]HongS，NaYS，ChoiS，SongIT，KimWH，LeeH.Adv.Funct.Mater.，2012，22：

4711.

[14]VecchiaNFD，AvolioR，Alfè

M，ErricoME，NapolitanoA，d’IschiaM.Adv.Funct.Mater.，2013，23：

1331.

[15]KangXM，CaiWH，ZhangS，CuiSX.Polym.Chem.，2017，8：

860.

[16]ZhangC，OuY，LeiWX，WanLS，JiJ，XuZK.Angew.Chem.Int.Ed.，2016，55：

3054.

[17]DuX，LiL，LiJ，YangC，FrenkelN，WelleA，HeisslerS，NefedovA，GrunzeM，LevkinPA.Adv.Mater.，2014，2：

8029.

[18]OuJF，WangJQ，LiuS，ZhouJF，RenSL，YangSR.Appl.Surf.Sci.，2009，256：

894.

[19]BallV，DelFD，ToniazzoV，RuchD.J.Colloid.Interf.Sci.，2012，386：

366.

[20]BernsmannF，BallV，AddiegoF，PoncheA，MichelM，GracioJJ，ToniazzoV，RuchD.Langmuir，2011，27：

2819.

[21]JiangJ，ZhuL，ZhuL，ZhuB，XuY.Langmuir，2011，27：

14180.

[22]ChenJ，ChenX，YinX，MaJ，JiangZ.J.Membrane.Sci.，2009，344：

136.

[23]XiZY，XuYY，ZhuLP，WangY，ZhuBK.J.Membrane.Sci.，2009，327：

244.

[24]LiH，JiaY，FengXY，LiJB.J.Colloid.Interf.Sci.，2017，487：

12.

[25]WeiQ，ZhangFL，LiJ，LiBJ，ZhaoCS，Polym.Chem.，2010，1：

1430.

[26]ZhengWC，FanHL，WangL，JinZX.Langmuir，2015，31：

11671.

[27]YangHC，LiaoKJ，HuangH，WuQY，WanLS，XuZK.J.Mater.Chem.A，2014，2：

10225.

[28]ZhangY，ThingholmB，GoldieKN，OgakiR，Stä

dlerB，Langmuir，2012，28：

17585.

[29]ZhuQ，PanQ.ACSNano，2014，8：

1402.

[30]YueQ，WangMH，Su