黑色素是一类重要的生物大分子，广泛存在于人与动物的皮肤和毛发中，在诸多生理活动中都起到核心调节作用。比如，黑色素可以通过清除过量的活性氧 (ROS) 维持人和动物体内的氧平衡，应用于对抗各种氧化应激诱发的疾病。这主要是由材料表面存在的大量邻苯二酚基团来实现，而这一能力深受材料内部致密层状结构的影响。天然和传统合成黑色素材料都是通过5,6-二羟基吲哚（DHI）单体的自由基聚合反应制备的，这一过程容易发生超分子π-π堆积，使得材料内部形成致敏的π-共轭堆叠结构，削弱了粒子表面邻苯二酚的活性，导致材料的抗氧化能力有限。目前解决此难题的策略是从黑色素大分子结构的空间效应出发，通过引入具有空间位阻的基元来减弱材料中的π-共轭堆叠结构，提升粒子表面邻苯二酚的活性，从而增强材料的抗氧化能力（CCS Chem.,2020, 2, 128-138）。然而该策略高度依赖掺杂基元和黑色素单体间的相容性（如溶解度和反应活性），因此仍需开发更为简单有效的手段，从而提升材料的抗氧化性能。
图1. 通过引入缩聚反应来制备抗氧化性能增强的新型人造黑色素粒子
近日，我院李乙文/顾志鹏团队通过加入醛类分子（如甲醛、乙醛或苯甲醛）在单体自由基过程中引入缩聚反应，制备了一系列新型的人造黑色素粒子，并命名为PDHI-i（i=1-5）（图 2a）。这些粒子与传统自由基聚合方法获得的PDA和PDHI纳米粒子（PDHI-0）保持了相似的粒径（图2b）。之后系统的表征证明了粒子的化学结构和聚合机理，比如粒子的电子能量损失光谱（EELS）表征了元素的均匀分布（图2c），X射线光电子能谱（XPS）表征了缩合聚合产生的亚甲基的出现（图2d），傅里叶变换红外光谱（FTIR）中也展示了缩合聚合产生-CH2伸缩振动（图2e），电喷雾电离质谱（ESI–MS）中显示了缩合聚合过程可能存在的中间体结构（图2f），都系统证明了这类新型人造黑色素粒子的成功合成。
图 2新型人造黑色素粒子的制备与结构表征
作者还进一步对反应过程中自由基聚合以及缩合聚合反应的比例进行了分析（图2g）。通过筛选，作者选择了具有相似缩聚反应比（～23%）但不同醛类偶联分子的黑色素材料作为研究对象，探讨其结构与功能间的关系。计算机模拟结果展示了黑色素材料内部的堆叠结构，随着醛类偶联分子空间位阻的增加，紧密的π-共轭聚集结构以及相互作用力都得到削弱（图3a）。同时黑色素粒子的密度也呈现逐渐降低的趋势（图 2g）。作者进一步通过循环伏安曲线测试（图3b）、DPPH自由基清除（图3c-d）、电子顺磁共振（EPR）光谱（图3e）等方法证明了材料的自由基清除和抗氧化能力都强于PDA和PDHI-0对比样。此外，作者还对聚合过程中的缩聚反应比例进行了优化，获得了抗氧化能力超强的人造黑色素纳米粒子（PDHI-5,图3f-g），通过细胞实验验证了其良好的生物相容性以及抗氧化保护效果。随后，作者构筑了急性肝损伤和急性肾损伤两种氧化应激急性动物模型，并利用PDHI-5进行治疗，展现了优秀的治疗效果。
图 3新型人造黑色素粒子的体外抗氧化性能研究。
综上所述，作者通过引入缩聚反应来减少黑色素单体在自由基聚合过程中所形成的π-共轭堆叠结构，从而有效提高人造黑色素材料的抗氧化活性。他们调节反应中的缩聚反应占比和偶联分子的种类，成功实现了对人造黑色素材料结构和抗氧化性能的有效调控，并通过材料在细胞抗氧化防护以及急性氧化应激损伤疾病的体内治疗进一步确认了这类新型材料优秀的抗氧化性能。论文第一作者为我院博士研究生杨棚和王天佑，通讯作者为李乙文教授和顾志鹏副研究员。
详见:Peng Yang‡, Tianyou Wang‡, Jianhua Zhang, Hengjie Zhang, Wanjie Bai, Gaigai Duan, Wei Zhang, Jinrong Wu, Zhipeng Gu*, Yiwen Li*.Manipulating the antioxidative capacity of melanin-like nanoparticles by involving condensation polymerization.Sci.China Chem., 2023, doi.org/10.1007/s11426-023-1542-8
文章链接：
https://doi.org/10.1007/s11426-023-1542-8
撰稿：王天佑
编辑：杨燕玲
审核：刘向阳
