• 精确的、可控的结构: 这是树枝状大分子与传统聚合物最根本的区别。它由三部分构成：一个中心核，从核发散出来的、高度有序的支化内层，以及一个布满大量官能团的外表面。
• 单分散性 (Monodispersity): 理想的PAMAM样品中，几乎所有分子都具有完全相同的尺寸、分子量和表面官能团数量 (PDI ≈ 1.0)。这种均一性使其行为更像一个巨大的、精确的化学分子，而非统计学意义上的聚合物。
• 三维球状形态: 随着代数的增加，PAMAM分子从相对开放的星型结构（低代数）变为紧凑的、近似球形的致密结构（高代数）。

• 内部空腔: 支化内层并非完全致密，存在着许多纳米级的空腔。这些疏水性或极性的微环境是其能够封装药物和其它客体分子的结构基础。
• 高密度的表面官能团: PAMAM的表面官能团数量随代数呈指数级增长。例如，一个G4的胺基端基PAMAM拥有64个伯胺基表面基团。这种“多价”(multivalent) 特性使其能够与目标发生极强的相互作用。
• 独特的流变性: 与随分子量增加而急剧增粘的线性聚合物不同，PAMAM溶液的特性粘度随代数增加到一定程度后反而会下降，因为其球状结构不易发生链缠结。

对于PAMAM这种结构精确的分子，传统意义上的“共混”或“共聚”并不适用。其功能化主要通过合成后的表面修饰来实现，即将其作为一个多功能的“纳米脚手架”。

这是最大化PAMAM功能、特别是降低其毒性的核心策略。

• PEG化 (PEGylation): 这是最重要的表面修饰。通过将亲水、中性的PEG链共价连接到PAMAM的表面胺基上，可以：
  1. 屏蔽正电荷，极大地降低其细胞毒性和溶血性。
  2. 提供“隐身”功能，抵抗蛋白质吸附，延长其在血液中的循环时间。
  3. 改善溶解性和稳定性。
• 靶向分子的共轭: 在PAMAM表面连接靶向分子（如叶酸、抗体、多肽），可以使其特异性地识别并结合到癌细胞等特定细胞的表面，实现主动靶向递送。
• 电荷转换: 将表面的伯胺基转化为羧基，可以将一个强聚阳离子转变为一个生物相容性更好的聚阴离子。

PAMAM是一种终极的“纳米容器”，其保护功能体现在将脆弱的“客体”分子封装在其内部或通过静电作用络合在其表面，使其免受外界环境的破坏。

PAMAM内部的疏水性或极性空腔可以像一个“分子胶囊”一样，通过非共价作用（如疏水作用、氢键）物理封装小分子药物。

• 提高溶解度: 将疏水性药物封装在PAMAM内部，可以显著提高其在水中的表观溶解度。
• 防止降解: 封装在内部的药物被物理地与外界的酶或破坏性化学环境隔离开来，从而提高了其稳定性。

与PEI类似，胺基端基的PAMAM是高效的基因保护剂。

• 静电压缩与屏蔽: PAMAM表面的高密度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，将核酸压缩成致密的纳米复合物(dendriplexes)。
• 防止酶降解: 在这个复合物中，核酸被紧紧地包裹起来，使其免受核酸酶的降解，从而保护了基因药物在运输过程中的完整性。

胺基端基的PAMAM是商业化的、高效的非病毒基因转染试剂（如SuperFect®）。其精确的结构使其相比于多分散的PEI，在实验中具有更好的可重复性。

• 工作原理: 与PEI类似，PAMAM与质粒DNA混合后形成带正电的纳米复合物。该复合物通过静电吸附在细胞膜上，经内吞作用进入细胞。进入内涵体后，据信PAMAM也能发挥“质子海绵效应”，导致内涵体破裂，从而将DNA释放到细胞质中。

PAMAM的多价表面使其成为构建高性能造影剂的理想平台。

• 磁共振成像 (MRI) 造影剂: 传统的MRI造影剂（如基于钆(Gd³⁺)的小分子）在体内清除快，信号强度有限。通过将多个螯合了Gd³⁺的基团共价连接到一个PAMAM分子的表面，可以得到一个大分子的造影剂。这种大分子造影剂具有更长的血液循环时间，并且由于每个分子携带了大量的Gd³⁺，其弛豫率（即信号增强能力）被极大地放大，从而可以获得更清晰的MRI图像。
• 荧光探针: 同样，可以在PAMAM表面连接多个荧光染料分子，用于细胞和组织的荧光成像。

PAMAM的独特结构使其能够被设计成一个“瑞士军刀”式的、集多种功能于一体的智能递送系统。

• 协同治疗: 可以在PAMAM的内部空腔封装一种疏水性化疗药物（如阿霉素），同时在其表面通过静电作用络合一种基因药物（如siRNA）。这样一个纳米载体可以同时将两种不同机理的药物递送到同一个癌细胞中，实现“协同化疗-基因治疗”，以期达到更好的抗癌效果。

这是PAMAM在治疗领域最前沿的应用。通过精巧的表面工程，可以构建出能够“精确制导”的纳米药物。

• 构建模块: 一个典型的靶向PAMAM递送系统通常包含以下几个模块：
  1. 核心: PAMAM骨架。
  2. 载荷: 封装在内部的治疗药物。
  3. 隐身层: 表面修饰的PEG链，用于延长血液循环。
  4. 靶向头: 连接在PEG链末端的靶向分子（如抗体），用于识别癌细胞表面的特异性受体。
• 优势: 这种设计可以使药物在血液中稳定循环，并主动地在肿瘤部位富集，从而最大化治疗效果，同时最小化对正常组织的毒副作用。

与PEI一样，未修饰的、胺基端基的PAMAM具有显著的、依赖于代数的细胞毒性，这是限制其临床应用最主要、最严峻的障碍。

其毒性主要源于其表面的高密度正电荷。

• 膜破坏作用: 强大的正电荷可以与带负电的细胞膜和细胞器膜（如线粒体）发生强烈的静电相互作用，破坏膜的完整性，导致细胞内容物泄漏和细胞死亡。
• 溶血性 (Hemolysis): 胺基端基的PAMAM会破坏红细胞的细胞膜，导致血红蛋白释放，即溶血。这在静脉注射给药时是一个非常严重的问题。

• 代数依赖性: 毒性随代数的增加而急剧增加，因为高代数的PAMAM具有更多的表面胺基。
• 表面基团的决定性作用: 毒性主要由表面基团决定。将表面的胺基(-NH₂)转化为羧基(-COOH)得到的阴离子型PAMAM，其毒性极低，生物相容性非常好。
• PEG化 (PEGylation): 这是最有效的减毒策略。接枝PEG链可以有效屏蔽正电荷，大幅降低其细胞毒性和溶血性。
• 部分乙酰化: 通过化学反应将一部分表面的伯胺基转化为中性的乙酰胺，也可以在保留部分基因结合能力的同时，有效降低其毒性。

商业化的PAMAM树枝状大分子是通过一种由Tomalia等人开创的、精巧的、迭代的“发散合成法”来制备的，也常被称为“星爆”(Starburst)合成法。

合成从一个中心核（通常是乙二胺, EDA）开始，通过两步反应的不断重复，使分子“发散”生长，每一轮重复都增加一个新的“代”(Generation)。

1. 第0代 (G0) 的形成:
   步骤A (Michael加成): 首先，将乙二胺核的4个N-H质子与过量的丙烯酸甲酯(MA)发生Michael加成反应。每个N-H位点都会加上两个MA分子，得到一个带有4个酯基端基的分子。这被称为G-0.5代。
   步骤B (酰胺化): 然后，将这个酯基端基的分子与大量的乙二胺(EDA)反应。每个酯基都会与一个EDA分子发生酰胺化反应，将酯基转化为两个末端伯胺基。最终得到一个拥有4个伯胺基表面的分子，这就是第0代(G0) PAMAM。


2. 更高代数的生长:
   将G0分子作为新的“核”，重复上述步骤A（与MA反应，得到带有8个酯基的G0.5）和步骤B（与EDA反应，得到带有8个伯胺基的G1）。如此循环往复，每完成一轮A+B的反应，代数就增加1，而表面的官能团数量则精确地翻倍。

这个过程需要极其严格的反应控制和每一步之后繁琐的纯化，以去除过量的反应物，确保得到结构完美的单分散产品。

• 质谱法 (Mass Spectrometry): 由于PAMAM的分子量是精确的、离散的，质谱是表征其最重要的工具。基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)或电喷雾电离质谱(ESI-MS)可以给出其精确的分子量，并能直观地展示其极高的纯度（谱图上只有一个非常尖锐的主峰），从而证实其单分散性。
• 凝胶渗透色谱 (GPC/SEC): 也可以用于表征，其GPC曲线通常会显示一个非常对称、狭窄的峰，计算出的PDI值接近1.0。

• 核磁共振波谱 (NMR): ¹H-NMR和¹³C-NMR是确认PAMAM化学结构和代数的决定性工具。通过仔细解析谱图，可以识别出属于核、不同内层和表层基团的质子/碳的特征信号。通过对表层基团的信号与内部或核心基团的信号进行积分对比，可以精确地计算出表面官能团的数量，从而无可辩驳地确定分子的代数。

• 动态光散射 (DLS): 用于测量PAMAM在溶液中的流体力学直径，是表征其尺寸最常规的方法。
• 电子显微镜/扫描探针显微镜: 透射电子显微镜(TEM)或原子力显微镜(AFM)可以提供PAMAM分子的直观图像，证实其纳米级的尺寸和近似球形的形态。
• Zeta电位: 用于测量PAMAM分子或其复合物在溶液中的表面电荷，是评估其与细胞相互作用和胶体稳定性的关键参数。

PAMAM树枝状大分子本身就是一种终极的“表面工程平台”或“多价纳米脚手架”。它的整个价值都建立在其精确的、布满大量可控官能团的表面之上。

PAMAM的表面为构建复杂的多功能纳米系统提供了一个理想的、可精确设计的平台。

• 多价效应 (Multivalency): PAMAM表面可以同时连接多个相同的分子（如靶向配体或药物）。这种多价连接可以极大地增强其与靶点（如细胞表面的多个受体）的结合亲和力（这种效应被称为“亲合力”或“avidity”），远强于单个分子与单个受体的结合。
• 精确控制与化学计量: 由于表面官能团的数量是精确已知的（例如G4有64个），研究人员可以精确地控制连接到每个PAMAM分子上的其他分子的数量和比例，实现“化学计量”级别的设计。

• 构建靶向造影剂: 在一个PAMAM分子上，可以同时连接多个MRI造影剂（用于成像）和多个靶向分子（用于引导），得到一个高灵敏度的靶向成像探针。
• 构建多功能药物载体: 在一个PEG化的PAMAM分子上，可以同时连接靶向分子、成像分子和pH敏感的药物释放开关，从而构建出一个集“隐身、靶向、成像、控释”等多种功能于一体的“纳米机器人”。