微/納米顆粒在催化、傳感器、涂料、復(fù)合材料、光電、能源、環(huán)境和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均有廣泛和重要的應(yīng)用價值。顆粒的表面化學(xué)和物理結(jié)構(gòu)決定了膠體粒子的穩(wěn)定性、生物活性和相容性等關(guān)鍵參數(shù)。因此，顆粒表面工程已成為材料設(shè)計和應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域。目前能在溫和水溶液中一步、低成本實現(xiàn)對具有不同成分、大小、形狀和結(jié)構(gòu)的微納米顆粒的表面功能化的普適性方法很少。
生物大分子如多肽和蛋白質(zhì)以β-sheet折疊結(jié)構(gòu)為核心而形成的淀粉樣積聚體（amyloid）是存在于自然界的一類重要的生物高分子組裝結(jié)構(gòu)。研究表明其除與多種神經(jīng)退行性疾病如阿爾茨海默、帕金森癥等有重要關(guān)系之外，還有一大類amyloid組裝體不僅沒有生物毒性，而且可以作為嶄新的功能性生物材料而應(yīng)用于包括生物醫(yī)藥、先進(jìn)材料制造在內(nèi)的諸多高技術(shù)領(lǐng)域。事實上，自然界常使用諸多的amyloid結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的材料來實現(xiàn)一系列無關(guān)疾病的有益生物功能，如結(jié)構(gòu)材料、信息傳導(dǎo)、催化載體和蛋白質(zhì)儲藏等。此類amyloid材料表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性、高的力學(xué)性能、豐富的界面功能基團(tuán)和組裝形態(tài)，從而有望在組織工程、藥物緩釋、生物傳感器、模板導(dǎo)向納米材料合成、膜材料、（有機(jī)/無機(jī)雜化）復(fù)合材料、光電材料、仿生黏附等領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。
相轉(zhuǎn)變?nèi)芫?/strong>（phase-transited lysozyme，PTL）最早由楊鵬教授課題組于2016年提出（Adv. Mater. 2016, 28, 7414），是一類區(qū)別于傳統(tǒng)淀粉樣蛋白質(zhì)積聚的新的類淀粉樣蛋白質(zhì)組裝體系。其特點在于組裝條件溫和可控、速度快、材料和過程成本極大降低。目前此體系至少包括兩種新穎結(jié)構(gòu)即纖維網(wǎng)絡(luò)和納米薄膜，均可在各類宏觀材料表界面實現(xiàn)穩(wěn)定粘附和改性。該體系不僅適用于溶菌酶，而且可拓展到其他蛋白質(zhì)中，如牛血清白蛋白 (BSA)、α-乳白蛋白 (α-Lactalbumin)、胰島素 (insulin)等。其能發(fā)生此類組裝的共性規(guī)律是其蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)中存在能發(fā)生淀粉樣積聚的高纖維化可能性序列結(jié)構(gòu)，同時其二級結(jié)構(gòu)中大量存在由分子內(nèi)二硫鍵鎖凍結(jié)的α-螺旋結(jié)構(gòu)。在此分子基礎(chǔ)之上，加入高效二硫鍵還原劑Tris(2-carboxyethyl)phosphine (TCEP)可快速打開分子內(nèi)二硫鍵而解鎖α-螺旋結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)其向更加低能量的β-sheet自發(fā)轉(zhuǎn)變而形成類淀粉樣組裝體。在系統(tǒng)探討了其組裝機(jī)理（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 13440; Biomater. Sci. 2018, 6, 836）、界面粘附機(jī)理（Colloid Interface Sci. Commun. 2018, 22, 42）和應(yīng)用基礎(chǔ)（Adv. Mater. 2016, 28, 579; Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704476; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 9331; Macromol. Biosci. 2012, 12, 1053）之后，日前楊鵬教授課題組進(jìn)一步將該方法拓展到微納米顆粒表界面（圖1），從而提供了一種簡單、快速、低成本、生物相容的蛋白質(zhì)涂層，可在金屬、無機(jī)、聚合物和活細(xì)胞等微納米顆粒上成功粘附。
圖1. 基于PTL方法的微/納米顆粒表面改性及工程化應(yīng)用示意圖。
該策略支持了微納米顆粒豐富可調(diào)的表界面工程之應(yīng)用：
1. 該涂層表面具有豐富的官能團(tuán)（如羥基、羧基、氨基、巰基、胍基等），可通過多重鍵合機(jī)理而在各種成分的微納米顆粒表面形成粘附牢固的PTL涂層（可抵御超聲、極端酸堿pH和有機(jī)溶劑的剝離）；并為后續(xù)的功能化提供了可調(diào)的反應(yīng)位點（如可引發(fā)表面活性接枝聚合、仿生礦化、無電沉積等）（圖2，3）。
圖2. 在聚合物（聚苯乙烯，PS）以及無機(jī)（二氧化硅，SiO2）微納米顆粒表面涂覆PTL層的過程及電鏡表征。
圖3. PTL涂層支持的微/納米顆粒表面功能化。(A) 通過原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)在PTL涂覆的SiO2顆粒表面接枝具有抗菌功能的聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨 (PDMC)聚合物刷；(B) 通過界面仿生礦化在PTL涂覆的CaCO3粒子表面生長羥基磷灰石 (HAp)；(C) 通過鈀催化的無電沉積在PTL涂覆的PS顆粒上沉積高導(dǎo)電性金屬層以及通過去除PS模板制備空心金屬膠囊；(D) 通過ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt (EDTA)蝕刻去除CaCO3模板的方法制備空心蛋白質(zhì)膠囊（即殼層為純的PTL膜）。
2. 可利用該策略簡便、高效的制備Janus顆粒及其在表面的微陣列排布。
3. 可利用該策略批量制備以有機(jī)聚合物為核的高導(dǎo)電性金屬微納米顆粒、以及蛋白質(zhì)或金屬為殼的空心膠囊。
4. 可直接利用該策略對活細(xì)胞表面進(jìn)行包覆及進(jìn)一步的化學(xué)改性（如從活細(xì)胞表面引發(fā)活性接枝聚合），從而實現(xiàn)對活細(xì)胞的功能調(diào)控和在固體表面的活細(xì)胞層固定。如可將該涂層包裹在酵母菌上，從而提高其機(jī)械穩(wěn)定性和抵抗外界有毒物質(zhì)（如溶細(xì)胞酶）的攻擊。在不顯著影響其活性的前提下，通過PTL涂層介導(dǎo)的表面粘附可將一整層酵母細(xì)胞穩(wěn)定固定在基材上，為后續(xù)的細(xì)胞工廠、細(xì)胞/器官芯片和固定化生物反應(yīng)器之應(yīng)用提供了潛在支持（圖4）。
圖4. PTL封裝酵母細(xì)胞以實現(xiàn)對其保護(hù)、表面功能化和表面固定等多種用途。(A) 空白酵母細(xì)胞和PTL包裹的酵母細(xì)胞對比；(B) 在不同緩沖液中培養(yǎng)出的酵母活性對比；(C) PTL包裹的酵母細(xì)胞對外界有毒物質(zhì)（溶細(xì)胞酶，Zymolyase）的抵抗示意圖及在溶細(xì)胞酶存在下的抵御能力測試；(D) 評價PTL膜阻隔溶細(xì)胞酶能力的Zymolyase透過性測試；(E) 用PTL方法將活酵母層固定在硅片上并代謝葡萄糖的反應(yīng)過程前后對比；(F) 循環(huán)使用固定化酵母層代謝葡萄糖的反應(yīng)活性測試；(G, H) 通過表面引發(fā)ATRP法在PTL包裹的酵母細(xì)胞表面接枝聚乙二醇甲基丙烯酸酯 (PEGMC)聚合物刷。
以上工作在線發(fā)表在材料學(xué)權(quán)威期刊Adv. Mater.（先進(jìn)材料）上。
該論文第一作者為碩士生劉瑞瑞，通訊作者是楊鵬教授。合作單位包括天津醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院張旭教授課題組。該課題得到了國家自然科學(xué)基金委 (No. 51673112, 51303100) 等項目的資助。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201802851
楊鵬教授課題組簡介：
陜西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院楊鵬教授課題組組建于2012年底，隸屬于應(yīng)用表面與膠體化學(xué)教育部重點實驗室。主要致力于基于蛋白質(zhì)類淀粉樣組裝的多功能仿生界面材料基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。經(jīng)過六年的努力，已取得了一定的系統(tǒng)性研究成果，已在Macromol. Biosci. (2012, 12, 1053)、Chem. Rev. (2013, 113, 5547)、Adv. Mater. (2016, 28, 579, VIP paper)、Adv. Mater. (2016, 28, 7414, Frontispiece)、Angew. Chem. Int. Ed. (2017, 56, 9331, Hot paper)、Angew. Chem. Int. Ed (2017, 56, 13440)、Adv. Funct. Mater. (2018, 28, 1704476) 、Adv. Mater. (2018, 1802851)等權(quán)威期刊發(fā)表綜述和研究論文二十余篇。
