聚乙烯亞胺在生物制藥行業的應用

來源：作者：人氣：-發表時間：2023-05-06 10:03:00【大中小】

聚乙烯亞胺（Polyethyleneimine，PEI）又稱聚氮雜環丙烷，由單體鏈(-CH2CH2NH-)構成的一種水溶性高電荷高分子聚合物。PEI 表面含有大量的氨基，在接近中性的溶液中富含正電荷，其表面可以通過化學修飾，如: 乙酰化、羧化、羥基化和聚乙二醇( PEG) 、低聚糖、靶向修飾或熒光標記等，實現其功能的多樣化。

PEI具有線性和支化兩種結構，線性PEI只包含仲胺，通常來源于聚噁唑啉的酸性水解。所以獲得低分子量的線性PEI有一定難度。伯胺和仲胺是活性胺，有很強的核酸結合能力，也是靶向試劑、藥物等功能性組分，而叔胺的結合能力較弱，但在酸性條件中具有緩沖作用。另外，枝狀PEI通常是液態，而線性PEI在室溫下是固態，不溶于冷水、苯酚、乙基醚等溶劑，在熱水和有機溶劑（如甲醇、乙醇和氯仿）中溶解性會提高。

特性

高附著力和吸附性：氨基可與羧基反應生成氫鍵。氨基可以與羧基反應形成離子鍵，也可以與羰基反應形成共價鍵。聚乙烯亞胺具有親水基團（氨基）和疏水基團（乙烯基）的結構，可以與不同的物質結合。利用這些綜合的結合力，它可以廣泛用于膠粘劑，油墨，涂料，膠粘劑等領域。
高陽離子度：聚乙烯亞胺在水中作為聚合物陽離子存在，可以中和并吸附所有陰離子物質，還能螯合重金屬離子。利用其高陽離子度，可用于造紙、水處理、電鍍液和分散劑等領域。
高反應性：聚乙烯亞胺具有強反應性的伯胺和仲胺，可以輕松地與環氧，酸，異氰酸酯化合物和酸性氣體發生反應。利用這一特性，它可用作環氧樹脂改性劑，醛吸附劑和固色劑。

合成方法

支鏈型聚乙烯亞胺應用廣泛，直鏈型聚乙烯亞胺主要用于真核細胞基因轉染載體。

1) 以乙烯亞胺為主原料，主要是合成支鏈型聚乙烯亞胺

2) 以惡唑衍生物為原料，主要合成直線型聚乙烯亞胺

用途

聚乙烯亞胺作為工程塑料廣泛用于電子電器、汽車、航空航天、機械、食品工業、醫療器械等領域，此外聚乙烯亞胺還可用于造紙、水處理、洗滌劑、粘合劑、化妝品等行業，在生物研究領域，主要是非病毒基因載體的廣泛研究。

1) 在基因載體方面的應用

PEI在基因載體方面主要作為聚陽離子非病毒基因載體，PEI分子中每三個原子有一個可質子化的氨基氮原子，構成的伯胺、仲胺和叔胺基團的pKa值不同，使PEI幾乎在pH條件下都有吸收質子的能力（即質子海綿體作用）。這一特性使PEI能在內涵體的酸性環境中吸收H+，使其滲透壓增高，導致膜不穩定甚至破裂，從而使被吞噬的復合物逃逸出來，避免DNA降解。

PEI是歷史上繼多聚賴氨酸之后發現的第二種聚合物轉染試劑，轉染效率隨著分子量的增大而提高，一般不低于20000，但隨著分子量的增大細胞毒性增強。將線性或多分支結構的大分子量PEI上連接酯鍵、碳氮雙鍵或二硫鍵等具有生物降解性的化學鍵，如聚乙二醇（PEG）、透明質酸、聚氨基酸和聚酯類等，使其在體內可生物降解成低毒或無毒的小分子量PEI，這樣可保留PEI較高轉染活性同時降低細胞毒性。另一種衍生應用是將小分子PEI接枝到高分子骨架上，如殼聚糖、聚己酸內酯等，以此提高轉染效率降低細胞毒性。

在PEI載體上連接靶向性物質可使PEI相對受體高表達的細胞產生靶向作用，同時促進細胞的內吞作用，提高基因轉染效率。可用靶向性物質如內源性配體（轉鐵蛋白（Tf）、表皮生長因子（ECG）、精氨酸-甘氨酰-天冬氨酸（RGD）肽等），碳水化合物如半乳糖及特異性抗體等。

2) 在固定化酶方面的應用

固定化酶是指利用物理或化學手段將酶束縛于一定的區域內，且仍具有酶催化活性，可被反復重復使用的一種技術。即，固定化酶包括非催化功能部分的載體和具有催化功能的酶。PEI大分子鏈上擁有大量的氨基，當pH<10時，其分子鏈上的氨基多處于質子化狀態，因此聚乙烯亞胺又是一種帶正電荷的聚電解質。如果將其鍵聯到一定的載體上，一方面可提供活性點氨基共價固酶，另一方面大部分酶在pH<10時帶負電，PEI可對其產生強靜電吸附，因此可以通過離子吸附固定住酶。

若以PEI大分子鏈為功能支載體進行酶的固化，既能增加酶與載體之間的作用，增大酶的吸附量，增強酶與載體的結合力，提高酶的吸附穩定性，使酶仍具有高催化活性，實現載體重復使用的目的。

3) 在藥物遞送方面的應用

高分子藥物載體是一類表面帶有正電荷的生物材料，以化學偶聯或物理吸附、包裹等方式將蛋白質、基因連接在材料表面或封裝于材料內核中，并通過與細胞膜相互作用，將蛋白質或基因遞送到細胞中。PEI的多級胺結構能夠有效壓縮、封裝蛋白或基因類藥物，常被作為轉染效果評價的金標準。

4) 在免疫佐劑方面的應用

PEI具有很強的佐劑活性，是一種極具潛力的疫苗佐劑，能夠增強傳統疫苗抗感染和抗腫瘤的效果，有些基于PEI的疫苗已進入臨床研究階段。PEI疫苗構建時，需要選擇不同類型的PEI、抗原、構建策略、免疫途徑等。

5) 在蛋白分離上的應用

PEI是帶正電荷的聚合物，可結合帶負電荷的大分子，如酸性蛋白質和核酸，進而形成的PEI網狀結構隨后以復合物形式沉淀出來，實現粗分離。

6) 在生物標記方面的應用

PEI與顯像劑（如Fe3O4和熒光NPs）共軛結合時，可作為生物標記，在一定條件下反映特異性細胞或亞細胞信息，如細胞遷移等行為。

PEI及衍生物產品：

產品名稱	分子量	包裝
線性聚乙烯亞胺 Polyethylenimine, Linear	25000,4000	100mg, 500mg
聚乙烯亞胺-聚乙二醇 PEI-PEG	PEG：1000,2000,3400,5000,10k PEI：600,1800,3000,10k,25k,70k	100mg, 500mg
聚乙烯亞胺-聚乙二醇-疊氮 PEI-PEG-N3	PEG：1000,2000,3400,5000,10k	100mg, 500mg
聚乙烯亞胺-聚乙二醇-巰基 PEI-PEG-SH	PEG：1000,2000,3400,5000,10k	100mg, 500mg
聚乙烯亞胺-聚乙二醇-馬來酰亞胺 PEI-PEG-MAL	PEG：1000,2000,3400,5000,10k	100mg, 500mg
甲氧基聚乙二醇-聚乙烯亞胺 mPEG-PEI	PEG：1000,2000,5000	500mg,1g
聚乙烯亞胺-聚乙二醇-生物素 PEI-PEG-Biotin	PEG：1000,2000, 3400,5000,10k	100mg, 500mg
聚乙烯亞胺-聚乙二醇-熒光素 PEI-PEG-FITC	PEG：1000,2000, 3400,5000,10k	100mg, 500mg
聚乙烯亞胺-透明質酸 PEI-Hyaluronate	HA：2000,3000,5000,7000,10k	100mg, 500mg
聚乙烯亞胺聚乳酸羥基乙酸共聚物 PEI-PLGA,PLGA 50/50	PEI支鏈型, MW:800 PLGA:5000,30000,6000	100mg, 500mg
二棕櫚酰磷脂酰乙醇胺-聚乙烯亞胺 DSPE-PEI	PEI：1200,1800,2000,3400,5000,25k	100mg, 500mg
聚乙烯亞胺聚乙二醇磷脂 PEI-PEG-DSPE	PEG：1000,2000, 3400,5000,10k	100mg, 500mg
聚乙烯亞胺聚賴氨酸 PEI-PLL		100mg, 500mg