基于牛血清白蛋白类淀粉样聚集的材料表面改性及其抗污染性能研究

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各种复杂环境中抵抗蛋白质在材料表面的非特异性吸附有着重要的应用。然而,受限于各种基材形状、表面性质、应用环境等因素,目前缺乏一种简便、普适、高效的抗污染涂层制备方法。针对上述问题,本工作开发了一种基于牛血清白蛋白(BSA)超分子组装的抗污染涂层制备方法。通过三(2-羧乙基)膦盐酸盐(TCEP)快速还原BSA分子内二硫键,使BSA发生相转变而发生快速类淀粉样聚集。通过简单的浸泡或喷涂,可以在几分钟到几十分钟内在几乎任意类型的材料表面形成厚度可控(~130nm)、无色透明的致密蛋白质纳米薄膜——相转变BSA(phase transition BSA,PTB)纳米薄膜。PTB膜具有较强的稳定性和粘附性,且对包括蛋白质、血清以及细胞外基质成分等污染物的表面非特异性吸附具有优异的抵抗力。体外和体内试验均表明,PTB纳米薄膜可以防止微生物,包括细菌、真菌、细胞和血小板在内的表面粘附以及抑制生物被膜的形成。这项工作突出了 PTB纳米薄膜具有稳定的材料表面改性和抗污染的双重作用,这是其他材料难以实现的。本工作的主要研究内容如下:(1)PTB纳米薄膜的形成及界面粘附首先利用三种简单方法制备PTB纳米薄膜并表征了在不同反应条件下薄膜的形貌。证明PTB涂层是由寡聚体纳米颗粒组装形成的连续且致密的二维纳米薄膜。其厚度可控,无色透明,可在具有不同形貌的各类基材表面稳定粘附并且可在各种极端条件的处理下保持形貌与厚度不变。接着,通过对不同时间点形成的PTB纳米薄膜形貌进行表征,推断出薄膜是通过颗粒在表界面不断地吸附,逐步融合而成的。通过CD,FTIR,ThT染色和刚果红染色等手段证明了 BSA相转变的过程中二级结构由α-helix向β-sheet转变,形成类淀粉样结构。结合拉曼光谱和XPS分析发现PTB纳米薄膜表面存在大量官能团的暴露,这为后续的表面化学反应提供了一个具有多种选择性的平台。PTB表面大量官能团的暴露以及类淀粉样结构的增多被认为是PTB纳米薄膜界面稳定粘附的原因。这种可大面积制备、绿色环保、高效快速、操作简易、原料易得、粘附牢固的PTB纳米薄膜,有望成为新型普适性的材料表面改性材料。(2)基于PTB构筑的抗污染涂层基于天然生物大分子BSA本身的抗污染性能,本工作提出利用PTB作为一种新型的抗污染涂层,并通过实验证明PTB纳米薄膜对各种污染物,包括生理液体、蛋白质以及细胞外基质成分的非特异性吸附都具有良好的抵抗效果,并且效果明显优于天然BSA。由于对细胞外基质非特异性吸附的抵抗性,PTB纳米薄膜还可以抵抗生物被膜的形成、真菌的粘附、细胞贴壁以及血小板的粘附。体外的溶血试验、MTT细胞活性测试以及大鼠皮下植入组织学分析证明了 PTB纳米薄膜具有良好的血液相容性和组织相容性。最后,通过动物实验证明了 PTB纳米薄膜在体内仍能保持良好的抗污效果,因此具有用于植入体涂层的潜力。与其他抗污染材料如亲水性聚合物刷相比,PTB纳米薄膜的制备过程简单高效,原料绿色无污染,符合可持续发展的要求,可以作为一种理想的抗污染涂层用于食品包装以及医用植入体等材料。
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