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多巴，又称3,4-二羟基苯丙氨酸（3,4-dihydroxyphenylalanine; DOPA），是一种重要的有机化合物，可穿透血脑屏障，在生物体内作为神经递质前体发挥疾病治疗功能（图1）。同时DOPA介导的共价交联等相互作用是造成海洋贻贝等生物具有高湿黏性的主要原因，使其在生物医学和功能材料领域发挥着重要作用。此外，作为酪氨酸的氧化产物，DOPA在酶催化氧化下聚合形成的黑色素也在生命活动中承担着重要的生理功能。虽然基于DOPA的仿生材料在表面粘附、界面催化、光子晶体、化妆医美等领域受到研究人员的广泛关注，但如何进一步提升相关材料的性能，是实现其产业化应用的关键。
图1 基于DOPA分子的粘附材料与黑色素材料
近期， 天津大学化工学院 齐崴教授 、王跃飞副研究员 带领的科研团队在DOPA仿生材料领域取得新进展。通过控制DOPA分子的手性及其氧化聚合过程，成功制备得到了具有强粘附力、高力学强度和稳定性的仿生色素。相关工作以题目为 “Enzymatic polymerization of enantiomeric L−3,4-dihydroxyphenylalanine into films with enhanced rigidity and stability” 的论文发表于国际期刊《自然-通讯》（Nature Communications. 2023, 14:3054.），天津大学化工学院 博士研究生申雨禾和 苏荣欣教授为论文的共同第一作者， 王跃飞副研究员、齐崴教授、天津中医药大学王跃飞研究员为论文通讯作者，天津大学为第一通讯单位（图2）。此研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、化学工程联合国家重点实验室等的资助支持。此研究也是该课题组在仿生材料领域（ACS Nano, 2022, 16, 6866-6877；ACS Nano, 2021, 15, 9827-9840；Nano letters, 2021, 21, 6406-6415；J. Am. Chem. Soc., 2015, 137(24): 7869−7880）的又一新进展。
图2 Nature Communications发表论文首页
图3 手性DOPA分子酶促氧化得到高性能涂层过程示意图
作为天然黑色素的重要前体，DOPA分子的手性构型对其组装过程中的分子间作用力和产物粘附效果具有重要影响。本文研究发现，与单一手性分子相比，DOPA外消旋体的氧化组装路径发生了变化：氧化速度更快，聚合度更高，界面组装堆叠方式也更紧密，从而影响所得材料的微观结构，进而提升其多项物理性能（稳定性、粘附力、力学强度等）。本研究证明可以通过手性调控，合理设计并制备具有高聚合度、强粘附力和高稳定性的仿生界面材料（图3）。
基于上述对多巴粘附机制的深入研究，科研人员将手性调控手段引入酪氨酸及其衍生物的氧化过程中，首先将酪氨酸氧化为多巴衍生物，进一步控制聚合度形成具有良好颜色调节性的多彩仿生色素。由于具有优异的粘附力，合成的仿生色素能够用于绿色、安全的生物染发，并具有着色速度快、颜色饱和度高、固色稳定性强，以及机械强度好等优势（图4，Dyes and Pigments. 2023, 216:111360）。相关研究弥补了部分传统染发剂生物毒性高、稳定性差等缺点，目前已申请中国发明专利2项，授权1项（CN202110587707.7、CN2022113320498），在化妆品、医美等领域具有很好的应用前景。
图4 手性酪氨酸衍生物进行多彩染发过程示意图
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原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-38845-3
https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2023.111360
来源：高分子科学前沿
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