对自然界的观察和研究可以激发新材料的发现。

无脊椎动物贻贝可粘附在潮湿固体的表面，通过长期地观察研究，科学家们发现，苯丙氨酸(DOPA)和富含赖氨酸的蛋白质是粘附性的关键物质。在此研究基础上，科学家们发现了和DOPA分子结构类似的材料——聚多巴胺（Polydopamine，PDA）。

PDA有和贻贝一样的优势，容易沉积在几乎所有类型的无机和有机基质，包括超疏水的表面，且膜厚可控，持久稳定。因此，PDA作为一种新型涂层材料为各种物质的表面修饰开辟了一条新的途径，并引发了广泛的研究。

图1

(Ａ)贻贝的图片

(Ｂ)多巴胺(Dopamine)和DOPA结构式

PDA也是天然黑色素的主要色素，在光学、电学和磁性方面有天然黑色素的许多特性，也具有良好的生物相容性。PDA的化学结构中含多种儿茶酚、胺和亚胺等官能团。这些官能团既可作为分子共价修饰的起点，又可作为过渡金属离子加载的锚点。在碱性条件下PDA对金属离子具有强大的还原能力，能促进各种杂化材料的出现。由于这些优点，PDA并不局限于作为一种涂层材料，而被广泛应用于化学、生物、医学、材料科学以及应用科学工程和技术领域。

PDA的制备方法

PDA主要有三种制备方法：溶液氧化法、电聚合法和酶氧化法。

溶液氧化法

溶液氧化法的聚合过程简单，无需复杂的仪器，已成为制备PDA最常用的方法。溶液氧化法中的一些关键因素，如溶剂、pH值、氧化剂、单体浓度等，对PDA的形貌、厚度和反应速率有显著影响。

| 缓冲液和溶剂

缓冲液可以控制PDA颗粒的形成。不同缓冲液(Tris、磷酸盐和碳酸氢盐缓冲液)影响PDA的形成、颗粒形态和顺磁性。如，研究发现在Tris缓冲液中PDA颗粒的平均尺寸比磷酸盐和碳酸氢盐缓冲液中要小得多。此外，水与有机溶剂(如甲醇和乙醇)的比例也可以调节PDA纳米颗粒的尺寸。因此溶剂的选择是PDA制备过程中的关键。

| pH值和温度

在NaOH水溶液中多巴胺（Dopamine，DA）氧化自聚合为PDA纳米粒，随着NaOH用量的增加，PDA纳米粒逐渐变小，直到NaOH/DA盐酸盐摩尔比达到统一。当氢氧化钠用量超过DA时，得到的是黑色非晶聚合物材料而不是颗粒。此外，随着反应温度的升高，颗粒尺寸减小。虽然DA氧化自聚合通常需要弱碱性条件，但研究发现，在pH 1条件下，高温高压仍可实现PDA聚合。

| 氧化剂

氧化剂是PDA聚合过程中必不可少的，通常在碱性条件下，常用的氧化剂是溶剂中的溶解氧。研究发现，Cu2+可以替代氧气作为氧化剂，且可以使PDA薄膜的厚度扩展到超过70 nm，而使用氧气时约为45纳米。即使在酸性(pH 4.5)环境中，Cu2+仍能氧化PDA，而O2则无法形成PDA。此外，常用的氧化剂还有(NH4)2S2O8、NaIO4、CuSO4、KMnO4、Fe3+等。

| 多巴胺浓度

DA浓度在控制薄膜厚度、表面粗糙度和形貌方面起着重要作用。DA溶液浓度增加，PDA薄膜厚度不断增加。高DA浓度下产生的PDA膜的粗糙度普遍高于低DA浓度下产生的PDA膜的粗糙度。这是因为高浓度的DA可以通过溶液中的自聚合形成一些小的PDA颗粒，这些小颗粒沉积在PDA的外表面，导致PDA涂层的粗糙度增加。因此，可以通过调节DA浓度来控制薄膜厚度和表面粗糙度。

 其它聚合法

除氧化自聚合外，还有他方法制备PDA，例如，电聚合法被用于使DA生成PDA，并直接沉积在电极上。该方法的DA利用率和沉积速率均高于自聚合法。此外，电聚合PDA的厚度可以得到精确的控制。但这种方法的局限是需要导电材料才能进行电聚合。DA也可以用酶聚合，尤其是对环境友好的酶。用酶氧化法得到的PDA产品的性质与天然黑色素相似。

PDA的聚合机理

虽然PDA可以在简单温和的条件下通过聚合得到，但由于涉及复杂的氧化还原反应，并产生一系列中间体，其机理至今仍不清楚。

最初，PDA的形成机制被认为类似于生物体中黑色素的合成途径，即共价聚合。该途径首先将DA氧化为5,6-二羟基吲哚(DHI)，随后进一步共价聚合。后来的研究又发现，PDA形成过程中既发生了共价聚合，也发生了非共价自组装。

在弱碱性条件下，DA在溶解氧作用下被氧化成多巴胺醌(图2)，当胺基脱质子后，得到的分子进行Michael加成反应。多巴胺醌经分子内环化和可逆氧化生成多巴胺色素，再经分子内重排生成DHI(步骤A、B见图2)。邻醌与DHI的邻苯二酚发生反向歧化反应交联，最终生成PDA。

图2

PDA合成途径-(A)共价键形成的氧化聚合

(B) DA和DHI的物理自组装

PDA的理化特性

作为一种受蚌类启发而发现的聚合物，PDA显示出许多与其化学结构和组成密切相关的重要性能，在各种研究领域有重要的应用。这些特性包括高粘附性、化学反应性、光热效应和生物相容性。

高粘附性和化学反应性

PDA的化学组成有两个主要特征：伯胺和仲胺含量高，邻苯二酚(3,4-二酚)含量高。这两种功能基团的共存有助于PDA的高黏附性。这种强大的粘附性使得PDA薄膜可以附着在几乎所有类型的有机和无机材料表面，包括贵金属、半导体、金属氧化物和聚合物，并且不受大小和形状限制。

其次，PDA涂层可以作为与其他化合物进行二次反应的桥梁。如，具有亲核官能团的分子，如硫醇和胺，可以通过席夫碱反应或迈克尔加成结合到PDA表面。由于其通用性和简便性，这一原理已被广泛应用于将不同功能物种(如生物大分子和长链分子)固定在不同类型的基质上。

再次，PDA可以与几乎所有的过渡金属和放射性同位素结合。因此，通过金属离子与PDA的氧原子或氮原子螯合，可以将一些有用的金属离子和放射性同位素固定在PDA薄膜上，使这些材料具有成像对比性能或在放射性同位素治疗癌症方面的应用能力。PDA的这种特性也可用于去除水中的重金属(Pb2+、Hg2+、Cu2+和Cr6+)。药物分子，如阿霉素(DOX)，可以通过π-π堆积或氢键相互作用附着在PDA表面，从而提供药物传递系统。

光热转化能力

对于光热治疗(Photothermal therapy，PTT)，在近红外区域(650-900 nm)有吸收的材料更有临床应用潜力，因为这种材料可以使光穿透更深的生物组织，且散射相对较低。PDA能够有效地吸收并将近红外光能转化为热能，是一种理想的光热剂。PDA具有40%的优良光热转换效率，远高于碳基纳米材料、铜基纳米粒子、金基纳米粒子和有机聚合物等。

据报道，PDA纳米粒能够在不损害健康组织的情况下有效地杀死癌细胞，抑制肿瘤增殖。由于PDA具有较强的近红外吸收能力和较高的光热转换效率，并且易于进行表面修饰，因此可以将PTT与其他类型的治疗结合起来，以设计和制作多功能的协同治疗平台。

生物相容性和内体逃逸

PDA是一种天然存在于生物体中的物质，广泛分布于人体和其他生命系统中，在生物医学领域具有广阔的应用前景。研究人员在金纳米粒子上包裹了PDA壳(GNP@PDA)，实验表明，GNP@PDA对HepG2细胞无明显的细胞毒性。体内治疗后，对小鼠主要器官(肝、脾、肾)无明显的损伤。这表明PDA涂层具有良好的生物相容性。此外，GNPs@PDA不仅存在于溶酶体中，也存在于胞质中，说明GNPs@PDA可以部分逃离溶酶体/核内体。这可能是由于PDA壳上存在较多的氨基基团，由于质子海绵效应导致内体逃逸。这一特性使PDA成为一个很有前途的运输平台，它可以帮助将多种货物运输到细胞质中，如抗癌药物和siRNA。

PDA的应用前景

  PDA纳米粒

在碱性条件下，根据不同的尺寸要求或特定的应用，可通过多种方法制备PDA纳米粒子。通过调节溶剂、pH、反应时间和DA浓度等因素，可以制备出50～400 nm的PDA纳米颗粒。然而，制备相对较小的PDA纳米粒(<50 nm)是相对困难的。研究人员利用一种反相微乳液法，在表面活性剂存在的情况下进行PDA聚合，得到了直径为25～43 nm的PDA纳米粒子。通过改变乳液中DA单体的加入量，可以调节PDA纳米粒子的直径。由于PDA表面具有吸附能力和各种活性官能团(胺基和羟基)，PDA纳米颗粒可以作为核，各种聚合物和功能物种可以组装为壳，从而提供核壳纳米复合材料的特定应用(图3）。

图3

(Ａ) PDA NPs合成工艺示意图

(Ｂ) PDA NPs的透射电镜

(Ｃ) PEG-Fe-PDA NPs的透射电镜照片

  PDA表面修饰

不同材料的表面修饰对于改善材料的性能、扩大材料的应用具有重要作用。

PDA涂层被发现之前，LBL组装、自组装单分子层(SAM)和等离子体处理是表面修饰化学的三大主导策略。与其他表面修饰方法相比，PDA修饰的表面范围更广，包括大多数贵金属和金属氧化物以及表面能较低的材料(碳纳米管、石墨烯、PS等)。

Fe3O4是PDA表面修饰中最常用的金属氧化物之一。由于Fe3O4的固有磁性，PDA修饰的Fe3O4纳米粒子可以很容易地被外部磁场收集和纯化。这些纳米粒子在磁引导治疗的纳米医学中显示出潜在的应用前景(图4）。将PDA薄膜装饰在不同材料上，不仅提高了材料的溶解性和稳定性，还使它们成为多功能的智能平台。由于PDA薄膜可以作为一种连接剂，各种功能分子，如抗癌药物和造影剂可以引入到材料表面。

图4

(A) PDA包裹Fe3O4纳米粒示意图

(B) Fe3O4@PDA纳米粒透射电镜图

(C) Fe3O4@PDA纳米粒中PDA厚度为10.4 nm

通过DA的自聚合可以得到PDA。通过调节反应条件，如溶剂、氧化剂、pH值和DA浓度，可以调节PDA大小、形状和形态。PDA具有非常强大的粘附能力，可以在大多数固体材料表面形成膜。PDA的材料具有许多引特性，包括与含巯基或含胺基团的席夫碱或迈克尔加成反应，具有较高的化学反应活性、良好的金属配位能力、优良的生物相容性和生物降解性、以及出色的光热转换能力。对这些特性的深入探究，衍生了更多的PDA涂层策略和纳米医学领域中的应用，如生物传感、生物成像、癌症治疗和抗菌。

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参考文献：

文章中有关PAD的制备、机理、理化特性以及应用前景等内容主要来自Yanlan Liu, Kelong Ai, and Lehui Lu发表在《Chemical Reviews》上的“Polydopamine and Its Derivative Materials: Synthesis and Promising Applications in Energy, Environmental, and Biomedical Fields”。

特别鸣谢：

赵宇戈