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定义

聚乙烯亚胺是一类主链由碳、氮原子交替构成的水溶性高分子，重复单元可写作 $-(\mathrm{CH_2CH_2NH})-$，分子式常记为 $(\mathrm{CH_2CH_2NH})_n$。商品形态多为无色或淡黄色的黏稠液体，带氨味，通常以质量分数 20%50% 的水溶液出售，5% 水溶液的 pH 值约为 811。

按主链连接方式，它分为线性和支化2类：线性的聚乙烯亚胺近乎只含仲胺，室温下为固体；支化的分子呈三维网络状，兼有伯胺、仲胺和叔胺3种基团^[1][4]。工业与科研中流通的聚乙烯亚胺以支化型为主，线性型多用于细胞转染等特定用途^[1]。

原理

聚乙烯亚胺的核心性质来自胺基的质子化。分子链上平均每 3 个原子就含 1 个可质子化的氮原子，理论阳离子电荷密度可达 $6.67\sim8.33\ \mathrm{mmol/g}$^[2]。由于各胺基的 pKa 值分散，它在较宽的 pH 区间内都能吸收质子，因而缓冲容量较高^[2]。

作为基因载体时，带正电的聚乙烯亚胺与带负电的 DNA 或 RNA 通过静电作用结合，把核酸压缩成纳米级复合物颗粒，再经内吞进入细胞^[5]。进入内体后，未质子化的胺基继续结合质子，带动氯离子和水进入，渗透压升高使内体膜破裂，复合物得以逃逸到细胞质中，这一机制通常称为质子海绵效应^[5][6]。

在中性或碱性溶液中，胺基上的孤对电子还可与重金属离子形成配位络合，同时借静电作用吸附带负电的颗粒，这是其用于吸附与絮凝的基础^[2]。支化度常用下式描述，其中 T、Z、L 分别为末端键合、形成支链和直链键合单体单元的平均数：$\mathrm{DB(\%)}=100\times\dfrac{T+Z}{T+Z+L}$^[7]。

发展历程

聚乙烯亚胺的工业生产建立在乙烯亚胺聚合的基础上。日本触媒公司于 1969 年实现其工业化生产，此后乙烯亚胺开环聚合长期是主流路线。以乙醇胺为起点经硫酸法或盐酸法制得乙烯亚胺水溶液，再在酸性催化剂作用下聚合，是常见的工艺组合^[8]。

线性与支化2种结构的合成路径不同：支化型多由氮杂环丙烷在酸催化下开环聚合得到，线性型则先让噁唑啉类单体开环聚合，再经水解去掉侧基^[2]。支化产物中伯胺、仲胺、叔胺的理论摩尔比为 1∶2∶1，但核磁共振表征显示市售支化聚乙烯亚胺的实际比例接近 1∶1∶1，支化程度高于理论值^[2]。

在基因递送方向上，聚乙烯亚胺是继多聚赖氨酸之后第 2 类被广泛研究的聚合物转染试剂，分子量 25 kDa 的支化型与 22 kDa 的线性型常被作为同类材料比较的参照^[1][9]。此后研究重心转向通过接枝聚乙二醇、引入二硫键或酯键等可降解连接等方式改造分子，以缓解效率与毒性之间的矛盾^[1]。

应用

造纸工业中，聚乙烯亚胺可用作湿强剂和絮凝剂，胺基与纤维素上的羟基、羧基作用形成氢键或离子键，从而提高纸张强度并帮助细小纤维留着^[10]。水处理方面，它作为阳离子絮凝剂中和并吸附带负电的胶体颗粒，也可用于螯合与去除重金属离子^[10]。

在生物医药与生物技术领域，聚乙烯亚胺主要作为非病毒基因载体使用，可将质粒 DNA、siRNA 等导入细胞，也用于药物递送与疫苗递送的研究^[1][4]。研究人员还通过在载体上连接靶向配体或荧光标记，赋予其靶向与示踪功能^[1]。

此外，聚乙烯亚胺的伯胺、仲胺具有较强反应活性，可与环氧化合物、异氰酸酯、酸等反应，因此被用于环氧树脂改性、涂料与胶粘剂配方、纤维和材料表面改性，以及染料固色、离子交换树脂等领域^[2]。在金属防护与石油开采中，它也有作为缓蚀剂、堵水调剖剂的用途。

局限

细胞毒性是聚乙烯亚胺最受关注的短板。转染效率随分子量升高而提高，但毒性也随之上升；分子量低于约 2000 时毒性很低，却几乎无法有效压缩核酸，转染效率接近裸 DNA^[6][11]。高密度正电荷被认为会破坏细胞膜稳定性、诱导氧化应激并损伤溶酶体和线粒体^[4]。

分子本身的不可降解性进一步限制了体内应用。常用的 25 kDa 级聚乙烯亚胺主链为碳氢骨架，在体内难以降解，反复使用可能造成毒性蓄积，形成的复合物也容易聚集而不稳定^[11]。为降低毒性常进行聚乙二醇化修饰，但这会削弱载体与细胞的非特异性相互作用，转染效率往往随之下降^[12]。

在吸附与工业用途中，聚乙烯亚胺也受可溶出性和成本限制，直接使用原样聚合物的场合少于其固定化、接枝或改性后的形式^[13]。材料本身的强反应性与腐蚀性对操作和储存提出要求，需避免吸潮与高温，废液应按环保规定处置^[10]。

参见

• 基因载体 —— 聚乙烯亚胺最主要的生物医学用途即作为非病毒基因载体。

• 质子海绵效应 —— 解释聚乙烯亚胺如何帮助核酸从内体中逃逸的机制。

• 聚乙烯亚胺-聚乙二醇共聚物 —— 为降低毒性而发展的常见改性形式。

• 絮凝剂 —— 聚乙烯亚胺在水处理中的角色之一。

• 乙烯亚胺 —— 合成聚乙烯亚胺的主要单体。