聚乙烯亞胺為一種常見的聚胺高分子，用於紙張的生產過程中，
以及洗髮精的製造和水的純化，近年在基因載體的研究上顯示出良好 的 轉 染 效 果 。 依 不 同 的 聚 合 方 式 聚 乙 烯 亞 胺 有 分 枝(branched polyethylenimine, B-PEI)及線性(linear polyethylenimine, L-PEI) 兩種 形式(圖 2-6)31。PEI的化學結構可視為兩碳原子與一氮原子所組成之 重複排列，即每三個原子就有一個氮原子，相較於其他陽離子高分 子，其氮原子密度最高，換句話說，電荷密度亦是最大的，因此能將 大型的DNA分子如數百奈米的質體DNA，濃縮(condense)成數十奈米 的聚複合體粒子32，同時能保護DNA不受核酸水解酵素的降解。高電 荷密度雖然有助於DNA的包覆，但也導致較強的毒性，不利於實際 上的應用。
圖2-6. 聚乙烯亞胺的各種形式與其所屬單體31
2-3-1. 分枝聚乙烯亞胺
B-PEI是以aziridine為單體進行陽離子開環聚合得到的高分子(圖 2-7)33，通常利用質子酸為起始劑，於聚合反應進行時，成長中的高 分子鏈會與另一條高分子鏈作用而形成分枝，若分子鏈末端發生back biting，則在末端會形成一圓環而終止聚合反應。
圖2-7. 分枝聚乙烯亞胺的聚合機構33
從結構上來看，B-PEI同時具有一級、二級和三級胺，各佔約 25%、
50%、25%，這些胺基在不同的pH値下會產生質子化，進而提供B-PEI 在酸性環境下極佳的緩衝能力。對於B-PEI在酸性溶液中的緩衝能 力，Behr等人提出著名的質子海綿理論(proton sponge hypothesis)34， 指出當聚胺類的聚複合體進入核內體後，可以緩衝核內體持續酸化的 環境使pH不易降低，造成氫離子不斷湧入，基於需保持電中性的緣 故，氯離子也隨之進入，造成核內體中氫離子與氯離子的濃度過高。
為了平衡濃度梯度，大量的水隨之進入，使核內體的體積不斷的膨脹 最終導致破裂，釋出內含物質。除此之外，氫離子的湧入也可能讓高 分子內質子化的胺基增加，使分子內的靜電斥力變大，以至聚複合體
的體積擴增，進而撐破核內體，進入細胞質中。因此一般認為有緩衝 能力的陽離子高分子皆具脫離核內體的特性，較其他非病毒型載體容 易進入細胞內，而有較高的基因轉染效率。Boussif等人證明B-PEI的 轉染效率和陽離子微脂粒DOGS相當，但比PLL高，然而在某些細胞 上甚至有優於DOGS的表現。Pollard等人則將多種不同的複合體注射 入細胞核或細胞質內，得到B-PEI不論是在細胞質或細胞核都有轉染 的能力，反之陽離子微脂粒DOGS與DOTAP幾乎沒有轉染效果5，突 顯出B-PEI在基因遞送上的高效率。
B-PEI 與 DNA 結合之聚複合體會隨著 B-PEI 和 DNA 的比例、濃 度、所用溶劑的離子強度、混合的順序的差異而形成不同的大小及形 狀。在適當的比例下，B-PEI 能將 DNA 完全包覆住，形成電中性的 聚複合體，但此電中性的複合體會凝集，不利於基因的遞送。因此通 常以較多的B-PEI 與 DNA 混合，來得到帶正電的複合體，不但可透 過靜電斥力使彼此分散，也有利於與負電性的細胞膜作用，增加進入 細胞的機會。若溶劑的離子強度和質體DNA 溶液的濃度較低時，可 得到大小在20-40 nm 之間的圓環狀(toroidal)聚複合體，但在高離子強 度或與生理環境相同的離子強度(0.15M NaCl)下，凝集亦會發生，形 成大小數百奈米的複合體顆粒。
B-PEI分子量對聚複合體也有影響。Godbey等人在體外實驗中發 現，分子量越大轉染效率也越好(70kDa＞10kDa＞1.8kDa)，而分子量 小 於 1.2kDa 則 沒 有 轉 染 效 果35。Fisher 等 人 則 是 得 到 大 分 子 量 (1616kDa)較小分子量(11.9kDa)的PEI有較強的細胞毒性，同時轉染效 率 較 低36。而Abdallah等人從體內實驗分子量越小轉染效率越佳 (25kDa＞50kDa＞800kDa)37。顯示當分子量增加時，會提高轉染效率 以及細胞毒性，但細胞毒性過高時則使轉染效率降低。
2-3-2. 線性聚乙烯亞胺
L-PEI 可以利用將高分子 poly(2-substituted-2-ozaxoline)進行加酸 水解使側鏈丙醯基(propionyl group)斷裂來得到，如 poly(2-ethyl-2- oxazoline)，如圖 2-8。
N
Acid Hydrolysis
n N
H H2 C C
H2n
圖2-8. poly(2-ethyl-2-oxazoline)加酸水解為線性聚乙烯亞胺
L-PEI在結構上僅有二級胺，於pH 4.5 到pH 9 之間才具有緩衝作 用，因此在程度上不如B-PEI。目前在非病毒載體的研究上大多數皆 採用B-PEI，但文獻指出L-PEI不僅有較低的毒性，同時能達到和B-PEI 相同甚至更好的轉染效率38,39。如同B-PEI，L-PEI聚複合體在形成上，
溶劑的離子強度對粒徑大小也有相對的影響。文獻顯示在 5%的 glucose水溶液中，聚複合體的粒徑約在 100 nm左右，而隨著高分子 比例的增加，粒徑會逐漸縮小，但當溶劑為 0.15M NaCl時，粒徑增 大至 1μm，且不受高分子與DNA比例的影響40。Wightman等人也觀 察到類似的現象，當複合體製備於 75mM NaCl緩衝溶液中時，粒徑