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陕西师大杨鹏教授课题组:基于蛋白质类淀粉样聚集的抗污涂层
2020-05-06  来源:高分子科技

  生物污染 (biofouling) 是指生物活性有机体污染的总称,其中包括蛋白质、细菌、真菌、藻类、海洋生物等。生物污染对人类生产生活造成了严重影响。在船舶航行中,藤壶等海洋生物会附着在船底影响航行速度并且腐蚀船体。在医疗领域,真菌或细菌会粘附在医疗器械表面形成生物膜 (biofilm),这不仅会造成传感器性能下降,还会引起组织炎症和血小板聚集形成血栓等问题。因此,制备抗污染 (antifouling) 涂层具有至关重要的意义。目前,常用的抗污材料是亲水性的高分子材料,例如聚乙二醇 (PEG),两性离子聚合物、多糖类高分子等。当这些高分子材料处于水相中时,大量水分子与这些聚合物结合形成水化层,在材料表面形成空间位阻,抵御蛋白质分子的吸附。然而,在实际应用中,由于生物污染物成分复杂,抗污染涂层几乎无法实现零污染。另外,受制于表面化学,这些聚合物通常需要复杂的方法才能接枝到材料表面,这大大限制了其在抗污染材料中的应用。因此,寻找一种绿色简便、通用高效的方法在多种材料表面制备抗污染涂层具有重要意义。


  针对以上问题,陕西师范大学杨鹏教授团队提出了利用具有淀粉样蛋白结构的牛血清白蛋白分子 (bovine serum albumin, BSA) 构筑抗污染涂层。BSA产生于牛的肝脏并大量存在于血浆中,具有保持血液渗透压等重要功能。此外,BSA也是一种公认的具有抵抗非特异性吸附的分子,经常用做ELISA和其他相关实验的封闭剂。杨鹏教授课题组之前的工作已经证明BSA可以在二硫键还原剂Tris(2-carboxyethyl)phosphine (TCEP) 的作用下发生淀粉样转变 (Biomater. Sci. 2018, 6, 836)。而具有淀粉样结构的BSA具有优异的界面活性,能够粘附在多种材料表面形成涂层,为制备基于BSA的抗污染涂层提供了基础。本工作首先系统的研究了BSA与TCEP的反应体系,通过一步法即可在气-液和固-液界面形成相转变BSA (phase-transited BSA, PTB) 纳米薄膜,该薄膜无色透明,厚度可控且可大面积制备,在高分子、金属、无机非金属材料以及异形材料表面均可稳定粘附(图1)。在淀粉样转变过程中,天然BSA转化为直径约为30 nm的寡聚体,接着寡聚体可以在气-液或固-液界面组装形成富含β-sheet结构的PTB纳米薄膜,并且薄膜表面暴露大量官能团。这些在淀粉样转变中暴露出的官能团与材料表面的氢键、静电相互作用以及疏水相互作用支持了PTB纳米薄膜在材料表面的稳定粘附(图2)。


图1  PTB纳米薄膜的制备及其基本性质表征。


图2 BSA与TCEP的反应过程以及BSA的结构变化。


  表面zeta电位表明,PTB涂层的等电点与天然BSA(均为4.7左右)几乎相同,且其总表面电荷几乎在零线附近。由此推测,PTB表面带正电荷和带负电荷的氨基酸残基分布接近平衡可能是其具有防污功能的主要原因。与天然BSA相比,PTB涂层显示出对生物液体混合物(例如牛奶、胎牛血清、细菌裂解液、真菌裂解液和细胞裂解液),蛋白质(例如β-乳球蛋白、纤维蛋白原、人血清白蛋白、刀豆凝集素、溶菌酶和辣根过氧化物酶),以及细胞外基质成分(磷脂、多糖、酯和碳水化合物等)非特异性吸附的优异抵抗力(图3)。例如,人血清白蛋白在PTB涂层上的吸附量低至0.2 ng/cm2。同时,PTB涂层还可以抵抗细胞、血小板和真菌的粘附以及生物被膜的形成(图4)。


图3  通过QCM-D测量的天然BSA或PTB涂层修饰的金芯片和空白金芯片上蛋白质和其他物质的吸附。


图4  PTB涂层对各种微生物的防污性能。


  PTB涂层在极端条件下处理后的表面形貌和厚度均不变并且保持了有效的防污性能。例如,与天然BSA相比,PTB纳米薄膜在经过超声处理后仍然保持了抵抗细菌生物被膜形成的性能,在经过表面活性剂处理后仍然可以抵抗牛奶的非特异性吸附(图5)。PTB涂层还具有良好的生物相容性、血液相容性和组织相容性,用于动物体内也可保持高效的防污能力。PTB涂层在小鼠皮下仍具有良好的抵抗生物被膜形成的作用,与空白样品相比,其金黄色葡萄球菌粘附数目减少90%(图6)。


图5 通过各种极端条件处理的PTB纳米薄膜稳定性以及抗污能力测试。


图6 PTB涂层的细胞毒性以及体内防污测试。


  综上,本工作开发了一种基于类淀粉样蛋白组装的新型防污涂层,该涂层制备简单,原料廉价,生物相容性良好,有望进行大规模的工业化生产,已经申请两项国家专利(申请号分别为201910189308 .8和201910189300 .1)。以上工作在线发表在材料学期刊《Adv. Mater.》上。共同第一作者为陕西师范大学胡心怡和西安交通大学第二附属医院田娟华,通讯作者为陕西师范大学杨鹏教授,陕西师范大学为第一单位。该课题得到了国家自然科学基金委 (nos. 51673112, 21875132) 等项目的资助。


  论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202000128

  Xinyi Hu, Juanhua Tian, Chen Li, Hao Su, Rongrong Qin, Xin Cao, Yifan Wang, Peng Yang*, Amyloid-Like Protein Aggregates: A New Class of Bioinspired Materials Merging Interfacial Anchor with Antifouling, Adv。 Mater。 2020, 2000128。


  陕西师范大学化学化工学院杨鹏课题组组建于2012年底(https://www.x-mol.com/groups/yangp),隶属于应用表面与胶体化学教育部重点实验室。主要致力于基于蛋白质类淀粉样组装的多功能仿生界面材料基础和应用研究。已在Chem. Rev. (1)、Adv. Mater. (6)、Nature Commun (1)、J. Am. Chem. Soc. (1)、Angew. Chem. Int. Ed. (3)、Adv. Funct. Mater. (2)、ACS Nano (1) 等权威期刊发表综述和研究论文六十余篇。

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(责任编辑:xu)
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