生物污染 (biofouling) 是指生物活性有機(jī)體污染的總稱，其中包括蛋白質(zhì)、細(xì)菌、真菌、藻類、海洋生物等。生物污染對人類生產(chǎn)生活造成了嚴(yán)重影響。在船舶航行中，藤壺等海洋生物會附著在船底影響航行速度并且腐蝕船體。在醫(yī)療領(lǐng)域，真菌或細(xì)菌會粘附在醫(yī)療器械表面形成生物膜 (biofilm)，這不僅會造成傳感器性能下降，還會引起組織炎癥和血小板聚集形成血栓等問題。因此，制備抗污染 (antifouling) 涂層具有至關(guān)重要的意義。目前，常用的抗污材料是親水性的高分子材料，例如聚乙二醇 (PEG)，兩性離子聚合物、多糖類高分子等。當(dāng)這些高分子材料處于水相中時，大量水分子與這些聚合物結(jié)合形成水化層，在材料表面形成空間位阻，抵御蛋白質(zhì)分子的吸附。然而，在實際應(yīng)用中，由于生物污染物成分復(fù)雜，抗污染涂層幾乎無法實現(xiàn)零污染。另外，受制于表面化學(xué)，這些聚合物通常需要復(fù)雜的方法才能接枝到材料表面，這大大限制了其在抗污染材料中的應(yīng)用。因此，尋找一種綠色簡便、通用高效的方法在多種材料表面制備抗污染涂層具有重要意義。
針對以上問題，陜西師范大學(xué)楊鵬教授團(tuán)隊提出了利用具有淀粉樣蛋白結(jié)構(gòu)的牛血清白蛋白分子 (bovine serum albumin, BSA) 構(gòu)筑抗污染涂層。BSA產(chǎn)生于牛的肝臟并大量存在于血漿中，具有保持血液滲透壓等重要功能。此外，BSA也是一種公認(rèn)的具有抵抗非特異性吸附的分子，經(jīng)常用做ELISA和其他相關(guān)實驗的封閉劑。楊鵬教授課題組之前的工作已經(jīng)證明BSA可以在二硫鍵還原劑Tris(2-carboxyethyl)phosphine (TCEP) 的作用下發(fā)生淀粉樣轉(zhuǎn)變 (Biomater. Sci. 2018, 6, 836)。而具有淀粉樣結(jié)構(gòu)的BSA具有優(yōu)異的界面活性，能夠粘附在多種材料表面形成涂層，為制備基于BSA的抗污染涂層提供了基礎(chǔ)。本工作首先系統(tǒng)的研究了BSA與TCEP的反應(yīng)體系，通過一步法即可在氣-液和固-液界面形成相轉(zhuǎn)變BSA (phase-transited BSA, PTB) 納米薄膜，該薄膜無色透明，厚度可控且可大面積制備，在高分子、金屬、無機(jī)非金屬材料以及異形材料表面均可穩(wěn)定粘附（圖1）。在淀粉樣轉(zhuǎn)變過程中，天然BSA轉(zhuǎn)化為直徑約為30 nm的寡聚體，接著寡聚體可以在氣-液或固-液界面組裝形成富含β-sheet結(jié)構(gòu)的PTB納米薄膜，并且薄膜表面暴露大量官能團(tuán)。這些在淀粉樣轉(zhuǎn)變中暴露出的官能團(tuán)與材料表面的氫鍵、靜電相互作用以及疏水相互作用支持了PTB納米薄膜在材料表面的穩(wěn)定粘附（圖2）。
圖1 PTB納米薄膜的制備及其基本性質(zhì)表征。
圖2 BSA與TCEP的反應(yīng)過程以及BSA的結(jié)構(gòu)變化。
表面zeta電位表明，PTB涂層的等電點與天然BSA（均為4.7左右）幾乎相同，且其總表面電荷幾乎在零線附近。由此推測，PTB表面帶正電荷和帶負(fù)電荷的氨基酸殘基分布接近平衡可能是其具有防污功能的主要原因。與天然BSA相比，PTB涂層顯示出對生物液體混合物（例如牛奶、胎牛血清、細(xì)菌裂解液、真菌裂解液和細(xì)胞裂解液），蛋白質(zhì)（例如β-乳球蛋白、纖維蛋白原、人血清白蛋白、刀豆凝集素、溶菌酶和辣根過氧化物酶），以及細(xì)胞外基質(zhì)成分（磷脂、多糖、酯和碳水化合物等）非特異性吸附的優(yōu)異抵抗力（圖3）。例如，人血清白蛋白在PTB涂層上的吸附量低至0.2 ng/cm2。同時，PTB涂層還可以抵抗細(xì)胞、血小板和真菌的粘附以及生物被膜的形成（圖4）。
圖3 通過QCM-D測量的天然BSA或PTB涂層修飾的金芯片和空白金芯片上蛋白質(zhì)和其他物質(zhì)的吸附。
圖4 PTB涂層對各種微生物的防污性能。
PTB涂層在極端條件下處理后的表面形貌和厚度均不變并且保持了有效的防污性能。例如，與天然BSA相比，PTB納米薄膜在經(jīng)過超聲處理后仍然保持了抵抗細(xì)菌生物被膜形成的性能，在經(jīng)過表面活性劑處理后仍然可以抵抗牛奶的非特異性吸附（圖5）。PTB涂層還具有良好的生物相容性、血液相容性和組織相容性，用于動物體內(nèi)也可保持高效的防污能力。PTB涂層在小鼠皮下仍具有良好的抵抗生物被膜形成的作用，與空白樣品相比，其金黃色葡萄球菌粘附數(shù)目減少90%（圖6）。
圖5 通過各種極端條件處理的PTB納米薄膜穩(wěn)定性以及抗污能力測試。
圖6 PTB涂層的細(xì)胞毒性以及體內(nèi)防污測試。
綜上，本工作開發(fā)了一種基于類淀粉樣蛋白組裝的新型防污涂層，該涂層制備簡單，原料廉價，生物相容性良好，有望進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，已經(jīng)申請兩項國家專利（申請?zhí)柗謩e為201910189308 .8和201910189300 .1）。以上工作在線發(fā)表在材料學(xué)期刊《Adv. Mater.》上。共同第一作者為陜西師范大學(xué)胡心怡和西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院田娟華，通訊作者為陜西師范大學(xué)楊鵬教授，陜西師范大學(xué)為第一單位。該課題得到了國家自然科學(xué)基金委 (nos. 51673112, 21875132) 等項目的資助。
論文鏈接：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.
陜西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院楊鵬課題組組建于2012年底（https://www.x-mol.com/groups/yangp），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。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) 等權(quán)威期刊發(fā)表綜述和研究論文六十余篇。
