聚天冬氨酸的合成及应用研究进展

＊王鹏宇 刘源鑫 邱典 范少龙 张艺仙*

（1.绍兴文理学院 浙江 312000 2.浙江新赛科药业有限公司 浙江 312000）

聚天冬氨酸（PASP）是聚氨基酸的一种，因为其结构主链上的肽键容易被微生物破坏，所以PASP具有可完全生物降解的特性。由于侧链基团是酰胺键，还可以通过引入各种烷基作为共酯或酰胺将天冬氨酸进行改性，从而可以改变聚合物的特性将亲水变为疏水，中性变为离子等得到不同特性的聚合物和共聚衍生物。通过改性技术对PASP进行改性后，官能团更加多样，应用范围也更加广泛，如降解材料和农业等方面[1]。除此之外，由于聚天冬氨酸对钙离子具有良好的螯合能力，且无毒，可以生物降解，可以作为许多矿物盐的防垢剂，改性后也可以用作防止金属被腐蚀。在生物医用方面，PASP以其良好的生物降解性、生物相容性，在医药、美容等方面也有广泛的应用。

本文从PASP及其衍生物的合成出发，对近年来国内外研究者关于PASP应用研究成果进行了详细介绍，并且对PASP改性研究做出了展望。

1.聚天冬氨酸及其衍生物的合成方法

工业上合成聚天冬氨酸是通过在碱性条件下水解中间产物聚琥珀酰亚胺得到的[2-3]。根据所用原料的不同，合成方法主要分为天门冬氨酸法和马来酸酐法。

（1）天门冬氨酸法。天门冬氨酸通过两步机理热缩聚得到聚琥珀酰亚胺，合成过程如图1所示。第一步：两个天门冬氨酸分别提供氨基和羧基，两者脱水缩合成为酰胺键。第二步：酰胺键上的亚氨基与提供羧基分子的另一羧基脱水形成琥珀酰亚胺环[4]。聚琥珀酰亚胺在碱性条件下水解成为天冬氨酸盐，随后经过洗涤中和、纯化后得到聚天冬氨酸。

图1 天门冬氨酸法制聚天冬氨酸[4]

（2）马来酸酐法。马来酸酐法主要以马来酸酐和氨供体为原料生产PASP[5]，包括马来酸在内的二元羧酸类试剂也能够作为原料，氨供体主要为氨水、氨气以及部分热解产生氨的物质。马来酸和尿素在磷酸催化下制备聚天冬氨酸的反应为三步，如图2所示。第一步：马来酸和尿素通过开环反应生成铵盐；第二步：马来酸铵盐在磷酸催化下生成聚琥珀酰亚胺；第三步：聚琥珀酰亚胺通过在碱性条件下水解生成PASP。

图2 马来酸酐法制聚天冬氨酸[5]

（3）改性聚天冬氨酸阻垢剂的合成。为了拓展聚天冬氨酸的使用范围，增强聚天冬氨酸的阻垢能力，以聚琥珀酰亚胺为原料，氮氨酸为改性试剂，制备改性聚天冬氨酸阻垢剂[6]。将反应物在一定温度下油浴，控制pH反应一段时间后得到淡红棕色溶液。精制洗涤数次，将所得产物放置在40℃真空干燥箱中干燥即得最终产物聚天冬氨酸的接枝共聚物。

（4）改性聚天冬氨酸缓蚀剂的合成。聚天冬氨酸具有良好的缓蚀作用，但是其所含基团的单一，导致它的缓蚀性能相对较弱，为了克服聚天冬氨酸的结构缺点，通过将氨基酸的功能基团通过接枝作用接到天冬氨酸分子的侧链上得到接枝聚合物[7]。以通过马来酸酐法制成的天冬氨酸和L-赖氨酸为原料，用少量去离子水溶解后反应，最终干燥后可以得到聚天冬氨酸的接枝共聚物。

2.PASP的应用领域

（1）PASP用于阻垢剂。水是人类生存和发展的重要基础，然而由于水垢的存在，水的质量受到了影响，不仅如此，每年因水垢而造成的损失更是不计其数。因此合成出阻垢性能优异，且绿色环保的阻垢剂十分重要。而PASP凭借其高效的阻垢率和绿色无污染的性质被广泛应用在制备各种阻垢剂上。

稳定与环保是阻垢剂不可或缺的两大性质。徐娜等[8]以马来酸酐和NH3·H2O为起始原料，采用微波法合成聚琥珀酰亚胺，最后水解聚琥珀酰亚胺生成PASP。结果表明其阻垢率高达94%，该阻垢剂有效克服了含磷类和聚丙烯酸聚合物类阻垢剂会导致海水富营养化等环境污染问题。

程玉山等[9]对PASP、苯并三氮唑（BTA）、钨酸钠和葡糖酸钠进行四元复合，结果显示，在最佳配比下，其对HSN-70A铜的腐蚀率仅为0.0006mm/a，远小于GB 50050—2007《工业循环冷却水处理设计规范》所要求的腐蚀率应＜0.005mm/a的标准，且阻垢率高达99.22%。

（2）PASP用于缓蚀剂。缓蚀剂能够延缓或阻止金属在腐蚀介质（如水、酸、碱等）中发生化学反应而被破坏。PASP分子能够吸附在金属表面，并形成一层保护膜，大大提升缓蚀效果。因此，各种基于PASP改性的缓蚀剂也应运而生。

王晓慧等[10]开发出了同时具备低成本和高缓蚀率两种特性的PASP/HA缓蚀剂。结果表明，该缓蚀剂相比于其他聚合物缓蚀剂，PASP/HA化合物仅在150mg/L的质量浓度下的缓蚀率就达到了90%以上，在拥有优秀的缓蚀性能的同时节约了成本。

姜亚玲等[11]以4-(氨甲基)吡啶为原料对PASP进行改性处理，研究出的最佳配比的阻垢率为87.99%，缓蚀率高达98.12%。与PASP相比，其阻垢率和缓蚀率均有大幅度提升。改性后的PASP阻垢剂的极性基团能够有效的吸附在金属表面，并形成一层保护膜，极大提升了金属离子化的活化能。盖洁超等[12]制备了一种可用于煤层气井的酸洗缓蚀剂。该团队将PASP与乌洛托品、葡萄糖酸钠、尿素进行复配同时加入铁离子协助稳定，在最佳配比下缓蚀效率高达91.74%。

（3）PASP在医疗方面的应用。由于PASP及其衍生物具有良好的生物相容性、易降解、易引入侧链等优点而被广泛应用于药物载体、人体组织修复等医疗方面。

①药物载体。沈洁等[13]合成了一种名为PEEC（聚天冬氨酸-3,3-二氨基二丙胺-N,N-二甲基亚二丙基三胺-烷基胺）的新型药物载体，并且研究了不同侧链接枝率所形成的载体的载药性能，结果表明在48h后载药胶束的释放率可达90%，证明该聚合物能够有效释放和运载DTX，是一种性能优异的药物载体。

Sattar等[14]采用石墨烯纳米片交联聚天冬氨酸作为一级网络，并以聚丙烯酰胺-共聚乙烯醇为二级网络，制备出一种高效的水凝胶。该水凝胶具有优异的物理性质和生物相容性，石墨烯纳米片交联结构可有效提高水凝胶的稳定性和力学强度，而聚丙烯酰胺-共聚乙烯醇网络能增强水凝胶的吸水性和水解性，使其在生物医学领域有广泛的应用前景。

②在医疗方面的其他应用。Marasini等[15]利用一罐多元醇法制备出平均粒径为2.0nm的聚天冬氨酸（PASP）涂附超细Gd2O3纳米颗粒。该纳米颗粒在3.0TMR场下表现出水-质子纵向和横向自旋松弛度分别为19.1s-1·mM-1和53.7s-1·mM-1，分别比商用GD-螯合造影剂高出约5倍和10倍。

PASP在协助伤口愈合方面也有一定的作用。Yang等[16]聚天冬酰肼（PAHY）与聚天冬氨酸（PASP）为原料合成了一种能够修复复杂轮廓皮肤损伤的可注射自生物降解聚天冬氨酸水凝胶。通过在大鼠体内实验证实，该水凝胶具有优秀的伤口愈合能力。

（4）PASP在农业方面的应用。农业是人类生存和发展的基石之一，它不仅可以满足人类对于食物等生活必需品的需求，还能为环境保护、经济增长和社会稳定做出巨大贡献。近年来，科学家们发现PASP具有能够增强植物光合作用、提高植物抗逆性等一系列优点，并合成了许多能够有效提高作物产量的化学试剂。

科学家们发现一定量的PASP能够使多种农作物增加产量。曹本福等[17]研究了施加聚天冬氨酸对烤烟生长、产量以及矿质养分吸收的影响。实验结果表明，其中当减少肥料为20%时聚天冬氨酸使用量以5%最佳。郭景丽等[18]对不同添加量的PASP对于玉米发芽的影响做了试验，研究结果表明一定量的PASP能够对玉米产量起到促进作用，当PASP添加质量分数为0.3%～0.5%时，效果最好。

（5）PASP在传感器方面的应用。聚天冬氨是一种具有高度导电性和生物相容性的聚合物，因此可以作为电化学生物传感器的电极材料。通过将聚天冬氨修饰于电极表面，可以提高传感器的灵敏度和选择性，从而检测生物分子如蛋白质、酶和DNA等。

杨志云等[19]以L-冬天酸胺为原料制备出了MPASPPAA/Fe3+水凝胶。当该水凝胶应用在柔性应变传感器时，不仅可以检测摆臂、挥拳、跳跃等大幅度动作，更能够识别例如吞咽、发声等微信号，具有敏捷反应能力、良好的可重复性和长期稳定性。

PASP参与制备的传感器能够更加精准的测定许多物质的含量。Islam等[20]将PASP对碳糊传感器（CPS）进行修饰，制备出了聚天冬氨酸修饰碳糊传感器（PAMCPS）。该传感器用于西替利嗪（CN）存在时乙酰氨基酚（PRT）的检测。

（6）PASP在矿石浮选方面的应用。在矿石浮选过程中，矿物颗粒要与气体或液体接触并吸附，从而实现分离。PASP由于其具有极强的亲水性和吸附性，它可以通过吸附作用降低矿物颗粒表面张力，改善矿物颗粒对气体或液体的湿润性能，从而提高浮选效率。同时还能与矿物表面形成化学键，增强浮选剂与矿物颗粒之间的结合能力，进一步提高浮选效率和分离选择性。

Wei等[21]对PASP对黄铜矿和铜活化后的闪锌矿的选择性抑制作用进行了研究。实验结果表明添加PASP组分的铜精矿的Cu的品位相较于未添加的PASP组分有显著的提高，从15.51%提高到31.40%。

3.结束语

PASP目前主要通过天门冬氨酸法和马来酸酐法合成，由于其分子链侧基的大量羧基，PASP通过改性制备多种衍生物。PASP及其衍生物由于其独特的结构有着广泛的应用，可以作为阻垢剂、缓蚀剂、药物载体，甚至在农业、传感器和矿石浮选等方面也起到重要的作用。在今后的研究中，应努力简化PASP及其改性条件，实现PASP的多功能化，扩大其应用领域，以促进PASP及其衍生物在相关方面的应用研究。