• 极高的阳离子电荷密度: 这是PEI最根本的特性。在生理pH(7.4)下，其大量的氨基被质子化，使整个分子链像一根“带正电的绳索”。商业化的支化PEI中，伯、仲、叔氨基的比例约为1:2:1，这赋予了其独特的缓冲能力。
• “质子海绵效应” (Proton Sponge Effect): PEI在很宽的pH范围内（约pH 5-10）都具有缓冲能力。这意味着当环境酸化时，它能吸收大量的质子(H⁺)而自身pH变化不大。这个效应是其作为基因载体实现内涵体逃逸的关键假说。

• 强大的络合能力: PEI的高正电荷使其能与带负电荷的大分子（如DNA, RNA, 肝素）通过静电作用，自发地络合成纳米级的复合物，称为“复凝聚体 (Polyplexes)”。
• 卓越的粘附性: PEI能强力吸附在大多数带负电荷的表面上，如玻璃、金属、纤维素（纸张）、矿物和细胞表面。这使其成为一种极其高效的表面改性剂和粘合促进剂。
• 金属离子螯合能力: 链上的氨基可以作为配位点，与多种过渡金属离子（如Cu²⁺, Zn²⁺, Co²⁺）形成稳定的螯合物，可用于去除废水中的重金属离子。

PEI的改性主要通过共聚或形成静电复合物来进行，旨在降低其毒性、提高其生物相容性或构建功能性多层膜。

这是降低PEI毒性、使其能用于体内应用的最核心策略。

• PEG-PEI: 这是最重要的PEI共聚物。通过将亲水的、电中性的PEG链段接枝到PEI骨架上（“PEG化”），可以形成一个“核-壳”结构的共聚物。阳离子的PEI内核负责与DNA/RNA结合，而亲水的PEG外壳则在复合物周围形成一个“保护罩”，可以：
  1. 屏蔽正电荷，降低其与血清蛋白和细胞膜的非特异性相互作用，从而降低毒性。
  2. 提供“隐身”功能，延长复合物在血液中的循环时间。

PEI作为强聚阳离子，可以与任何聚阴离子通过物理混合形成稳定的复合物。

• 与核酸形成复凝聚体 (Polyplexes): 这是其在基因递送中的应用基础。
• 层层自组装 (Layer-by-Layer, LbL): PEI是LbL技术中最经典的聚阳离子构筑单元。通过将基底交替浸入带负电的聚电解质（如聚丙烯酸PAA, 聚苯乙烯磺酸盐PSS）溶液和PEI溶液中，可以精确地构筑出纳米级厚度的多层功能薄膜。

PEI的“保护”功能非常独特，它不是提供物理屏障或空间位阻，而是作为一种主动的静电“保镖”，专门用于保护脆弱的基因药物。

裸露的DNA或RNA分子在进入血液或细胞后，会立即被体内的核酸酶(Nuclease)降解，无法到达作用靶点。PEI是解决这一问题的关键。

• 静电压缩与屏蔽: PEI的正电荷与核酸骨架上的负磷酸根发生强烈的静电相互作用，将原本伸展的、带负电的核酸长链压缩成一个致密的、电荷被中和（甚至带正电）的纳米颗粒（即Polyplex）。
• 防止酶降解: 在这个致密的复合物中，核酸被紧紧地包裹在PEI的“静电笼”中。这种物理上的包裹和空间位阻，使得核酸酶无法接触到其切割位点，从而保护了基因药物在从注射部位到靶细胞的运输过程中不被降解，极大地提高了其稳定性。

这是PEI在生物化学和分子生物学实验室中最核心、最广泛的应用。PEI是最高效、最经济的非病毒基因转染试剂之一，被誉为“穷人的转染试剂”。

• 工作流程: 研究人员只需将含有目标基因的质粒DNA与PEI溶液在适当的比例下（N/P比）简单混合，静置片刻形成DNA-PEI复凝聚体，然后将该混合液直接加入到培养的细胞中。带正电的复合物会吸附在带负电的细胞膜表面，通过内吞作用进入细胞，最终将DNA释放到细胞核中进行表达。
• 优势: 相比于脂质体等其他试剂，PEI价格极其低廉，且对多种贴壁和悬浮细胞都具有很高的转染效率，特别适用于需要大规模生产蛋白质或病毒的场合。

PEI的高反应活性（大量伯、仲氨基）和强吸附性使其成为固定生物分子的优良载体。

• 酶固定化: 将酶通过共价键合或物理吸附的方式固定在PEI或PEI改性的载体上，可以提高酶的稳定性、便于回收和重复使用，用于工业生物催化。

将PEI作为基因药物（DNA, siRNA, mRNA）的载体，用于在体内治疗遗传性疾病或癌症，是生物医学领域最前沿的研究方向之一。

• 工作机制 (三步):
  1. 封装与递送: PEI将基因药物封装成纳米粒，保护其在血液循环中不被降解，并递送到靶细胞。
  2. 细胞内吞: 带正电的纳米粒被细胞通过内吞作用吞噬，包裹在称为“内涵体”的囊泡中。
  3. 内涵体逃逸 (Endosomal Escape): 这是最关键的一步。内涵体内部会通过质子泵酸化。PEI利用其强大的“质子海绵效应”，不断吸收质子，抵抗酸化。为了平衡电荷，大量的氯离子(Cl⁻)和水分子会涌入内涵体，导致其渗透压急剧升高，最终“胀破”。这个过程使得被包裹的基因药物能够成功逃逸到细胞质中，避免被溶酶体降解，从而发挥其治疗作用。

PEI在多个大规模工业领域中也扮演着重要角色。

• 水处理: 作为阳离子絮凝剂，用于去除废水中的阴离子污染物和悬浮物。
• 造纸工业: 作为助留助滤剂和纸张增强剂。
• 二氧化碳捕获: PEI的氨基可以与酸性的CO₂发生可逆的化学反应，负载PEI的多孔材料是目前最高效的CO₂吸附剂之一，用于从空气或工业废气中捕获二氧化碳。

尽管PEI作为基因载体非常高效，但其固有的细胞毒性是限制其临床应用最主要、最严峻的障碍。

PEI的毒性主要源于其极高的阳离子电荷密度。

• 膜破坏作用 (Membrane Disruption): PEI强大的正电荷可以与带负电的细胞膜发生强烈的静电相互作用，像“去污剂”一样破坏细胞膜的完整性，导致细胞内容物泄漏和细胞死亡（坏死）。
• 线粒体毒性: 进入细胞后，PEI可以进一步破坏线粒体膜，干扰细胞的能量代谢，诱导细胞凋亡。
• 聚集效应: 在血液中，PEI会与带负电的血清蛋白和血细胞发生聚集，可能引发凝血或免疫反应。

• 分子量和结构: 通常，分子量越高，毒性越大；支化PEI比线性PEI毒性更大。因此，在保证转染效率的前提下，应尽量选用较低分子量的PEI。
• PEG化 (PEGylation): 这是最有效的减毒策略。通过接枝PEG链（形成PEG-PEI），可以有效屏蔽PEI的正电荷，大幅降低其与细胞膜和生物分子的非特异性相互作用，从而显著降低其细胞毒性和免疫原性。
• 生物可降解改性: 通过在PEI骨架中引入可水解的酯键等，设计出可在体内降解为低毒性小片段的PEI衍生物，以避免其长期蓄积。

这是工业上合成高度支化PEI的唯一方法。

• 单体: 乙烯亚胺（又称氮丙啶, Aziridine），一个三元含氮环状化合物。
• 聚合机理: 反应由酸催化剂（如质子酸）引发。首先，一个质子化的氮丙啶环被另一个氮丙啶单体的氮原子亲核攻击，导致开环，形成一个二聚体。这个过程不断重复。
• 支化的形成: 在链增长过程中，已经形成的聚合物链上的仲胺的氮原子，也可以作为亲核试剂去攻击一个质子化的氮丙啶单体。当这种情况发生时，就会在主链上形成一个新的支链。由于链上的仲胺数量远多于链端的伯胺，这种“链转移到聚合物”的反应非常频繁，最终导致了产物具有高度支化的拓扑结构。

合成纯线性的PEI要复杂得多，需要采用“先保护，后脱保”的策略。

1. 首先，通过阳离子开环聚合聚合一种“被保护”的单体，如2-乙基-2-噁唑啉。这种聚合是活性的，不会发生支化，得到聚(2-乙基-2-噁唑啉)。
2. 然后，通过酸或碱催化水解，将聚合物侧链上的丙酰基全部脱去，得到纯线性的PEI。

• 凝胶渗透色谱 (GPC/SEC): 直接用GPC测定PEI的分子量是极其困难的。由于PEI是强聚阳离子，它会与GPC色谱柱的填料（通常带负电）发生强烈的静电吸附，导致样品无法流出或峰形严重拖尾。需要使用特殊的流动相（高盐浓度的酸性缓冲液）和特殊处理的色谱柱才能进行分析。
• 光散射法 (Light Scattering): 静态光散射(SLS)或多角度光散射(MALS)是测定PEI绝对重均分子量(Mw)更可靠的方法。

• 核磁共振波谱 (¹³C-NMR): 这是表征PEI支化结构最强大的工具。在¹³C-NMR谱中，与伯、仲、叔和季（质子化后）胺相邻的亚甲基碳，其化学位移有明显的区别。通过对这些不同区域的峰进行积分，可以精确地计算出伯、仲、叔胺的比例，从而定量表征其支化度。
• 酸碱滴定法: 通过用标准酸溶液滴定PEI，可以测定其总的胺含量和不同pKa值的胺的分布，从而评估其缓冲能力。

这是评估其作为基因载体功能的核心指标。

• 凝胶阻滞实验 (Gel Retardation Assay): 将固定量的DNA与不同量的PEI（以N/P比，即PEI中氮原子的摩尔数与DNA中磷酸根的摩尔数之比，来表示）混合。然后用琼脂糖凝胶电泳分析这些混合物。当PEI的量足够将所有带负电的DNA完全中和并络合时，复合物将不再能在电场中向正极移动。能够实现完全“阻滞”的最低N/P比，是衡量其DNA结合能力的重要参数。

PEI是表面工程领域最强大、用途最广泛的“分子胶水”和“表面电荷转换剂”，其核心作用是通过强烈的静电吸附来改性带负电荷的表面。

这是PEI最大宗的工业应用之一。在多层复合材料（如食品包装膜）的生产中，经常需要在两种化学性质差异很大的材料（如聚乙烯和铝箔）之间进行粘合。

• 工作原理: 在其中一层基材上预先涂覆一层极薄的PEI溶液（称为“底涂”）。PEI会强力吸附在基材表面，其链上密布的、高反应活性的氨基，就像无数个“分子挂钩”一样，可以与后续涂覆的粘合剂或熔融挤出的另一层材料发生强烈的物理或化学键合。PEI层起到了一个完美的“界面过渡层”的作用。

通过简单的浸涂，PEI可以将任何带负电的表面（如玻璃、二氧化硅、云母、纤维素）瞬间转变为一个带高密度正电荷的表面。这种能力被广泛用于：

• 层层自组装 (LbL): 作为构建多层膜的第一层（锚定层）和后续的阳离子层。
• 细胞培养: PEI涂覆的培养皿可以促进细胞（其表面带负电）的粘附。
• 过滤与分离: PEI改性的滤膜可以用于吸附和去除水中的阴离子污染物。