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類淀粉樣蛋白涂層介導的微納米顆粒表面工程

發布者:田瀟  發布時間:2018-08-07 11:56:57  瀏覽:

微/納米顆粒在催化、傳感器、涂料、復合材料、光電、能源、環境和生物醫學等領域均有廣泛和重要的應用價值。顆粒的表面化學和物理結構決定了膠體粒子的穩定性、生物活性和相容性等關鍵參數。因此,顆粒表面工程已成為材料設計和應用的一個重要領域。目前能在溫和水溶液中一步、低成本實現對具有不同成分、大小、形狀和結構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以β-sheet折疊結構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構。研究表明其除與多種神經退行性疾病如阿爾茨海默、帕金森癥等有重要關系之外,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用于包括生物醫藥、先進材料制造在內的諸多高技術領域。事實上,自然界常使用諸多的amyloid結構和相應的材料來實現一系列無關疾病的有益生物功能,如結構材料、信息傳導、催化載體和蛋白質儲藏等。此類amyloid材料表現出優異的生物相容性、高的力學性能、豐富的界面功能基團和組裝形態,從而有望在組織工程、藥物緩釋、生物傳感器、模板導向納米材料合成、膜材料、(有機/無機雜化)復合材料、光電材料、仿生黏附等領域產生重要影響。

相轉變溶菌酶(phase-transited lysozyme,PTL)最早由楊鵬課題組于2016年提出(Adv. Mater. 2016, 28, 7414),是一類區別于傳統淀粉樣蛋白質積聚的新的類淀粉樣蛋白質組裝體系。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構即纖維網絡和納米薄膜,均可在各類宏觀材料表界面實現穩定粘附和改性。該體系不僅適用于溶菌酶,而且可拓展到其他蛋白質中,如牛血清白蛋白 (BSA)、α-乳白蛋白 (α-Lactalbumin)、胰島素 (insulin)等。其能發生此類組裝的共性規律是其蛋白質一級結構中存在能發生淀粉樣積聚的高纖維化可能性序列結構,同時其二級結構中大量存在由分子內二硫鍵鎖凍結的α-螺旋結構。在此分子基礎之上,加入高效二硫鍵還原劑Tris(2-carboxyethyl)phosphine (TCEP)可快速打開分子內二硫鍵而解鎖α-螺旋結構,誘導其向更加低能量的β-sheet自發轉變而形成類淀粉樣組裝體。在系統探討了其組裝機理(Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 13440; Biomater. Sci. 2018, 6, 836)、界面粘附機理(Colloid Interface Sci. Commun. 2018, 22, 42)和應用基礎(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,日前楊鵬課題組進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、生物相容的蛋白質涂層,可在金屬、無機、聚合物和活細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用示意圖。

該策略支持了微納米顆粒豐富可調的表界面工程之應用:

1. 該涂層表面具有豐富的官能團(如羥基、羧基、氨基、巰基、胍基等),可通過多重鍵合機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和有機溶劑的剝離);并為后續的功能化提供了可調的反應位點(如可引發表面活性接枝聚合、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(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聚合物為核的高導電性金屬微納米顆粒、以及蛋白質或金屬為殼的空心膠囊。

4. 可直接利用該策略對活細胞表面進行包覆及進一步的化學改性(如從活細胞表面引發活性接枝聚合),從而實現對活細胞的功能調控和在固體表面的活細胞層固定。如可將該涂層包裹在酵母菌上,從而提高其機械穩定性和抵抗外界有毒物質(如溶細胞酶)的攻擊。在不顯著影響其活性的前提下,通過PTL涂層介導的表面粘附可將一整層酵母細胞穩定固定在基材上,為后續的細胞工廠、細胞/器官芯片和固定化生物反應器之應用提供了潛在支持(圖4)。

圖4. PTL封裝酵母細胞以實現對其保護、表面功能化和表面固定等多種用途。(A) 空白酵母細胞和PTL包裹的酵母細胞對比;(B) 在不同緩沖液中培養出的酵母活性對比;(C) PTL包裹的酵母細胞對外界有毒物質(溶細胞酶,Zymolyase)的抵抗示意圖及在溶細胞酶存在下的抵御能力測試;(D) 評價PTL膜阻隔溶細胞酶能力的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過程前后對比;(F) 循環使用固定化酵母層代謝葡萄糖的反應活性測試;(G, H) 通過表面引發ATRP法在PTL包裹的酵母細胞表面接枝聚乙二醇甲基丙烯酸酯 (PEGMC)聚合物刷。


以上工作在線發表在材料學權威期刊Adv. Mater.(先進材料)上。

Ruirui Liu, Jian Zhao, Xinyi Hu, Dong Wang, Xu Zhang, Peng Yang*, One-Step Assembly of a Biomimetic Biopolymer Coating for Particle Surface Engineering. Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201802851

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201802851


陜西師范大學化學化工學院楊鵬課題組組建于2012年底,隸屬于應用表面與膠體化學教育部重點實驗室。主要致力于基于蛋白質類淀粉樣組裝的多功能仿生界面材料基礎和應用研究。經過六年的努力,已取得了一定的系統性研究成果,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)等權威期刊發表綜述和研究論文二十余篇。

該論文第一作者為碩士生劉瑞瑞,通訊作者是楊鵬。合作單位包括天津醫科大學口腔醫學院張旭課題組。該課題得到了國家自然科學基金委 (No. 51673112, 51303100) 等項目的資助。Advanced Materials (先進材料)是由德國Wiley公司出版的材料學和化學領域的頂尖期刊之一,2018年影響因子為21.950。