（材料学专业论文）生物大分子与材料表面的相互作用.pdf

分类号 u d c 密级 坌五 学校代码1 0 4 9 7 题 目生物太盆壬皇挝料麦面的担互佐旦 英文the i n t e r a c t i o nb e t w e e n 题目biomacromoleculesandm a t e r i a ls u r f a c e s 研究生姓名赵迭良 指导教师姓名蹩一职称j 魁是一学位盟 4 3 0 0 7 0 申请学位级别王堂亟学科专业名称挝料堂 论文提交日期 2 011 5 论文答辩日期至q ! ! ：墨 学位授予单位武这理王太堂学位授予日期 答辩委员会主席吴仕岿评阅入塞盐 武照强 2 0 1 1 年5 月 穿文 大 歹论 z 羽位 0 铱 ， 劣学 y11燃1161111111111111111 武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：去勉良日期出1 2 ：主 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：玄铉良 导师( 签名) ： 注：此表经研究生及导师签名后，请装订在学位论文摘要前页。 摘要 生物大分子与基质之间的相互作用，以及这种相互作用对生物信号变化的 响应是生命活动和生物功能的核心过程之一。生物功能材料表面所吸附生物大 分子的种类及其数量将直接影响其与生命体的生物相容和功能诱导。因此研究 生物大分子与生物功能材料表面的相互作用，对具有特定生物功能材料表面的 构建，蛋白质的分离、纯化技术，生物检测技术等的应用研究具有重要的理论 指导意义。 本论文选择聚氨酯作为基材，通过一种简单的化学改性的方法首先在基材 表面引入碳碳双键，然后选择不同的乙烯基单体，利用表面引发聚合的方法在 聚氨酯材料表面接枝亲水性聚合物、疏水性聚合物和环境响应性聚合物。分别 研究了上述三种改性的聚氨酯材料表面与蛋白质的相互作用。另外，通过化学 接枝的方法将溶菌酶接枝在等离子共振( s p r ) 传感芯片表面，基于s p r 研究 这种表面与不同位点硫酸酯化壳聚糖的相互作用。具体研究内容如下： 1 通过一种简单的化学方法，首先在聚氨酯基材表面引入碳碳双键，选 择了三种乙烯基单体进行后续的表面引发聚合反应，并研究了改性后的亲水表 面和超疏水表面与纤维蛋白原之间的相互作用。x 射线光电子能谱( x p s ) 和水 接触角结果表明：我们成功地将碳碳双键引入到聚氨酯表面，并且这种表面能 进行后续的聚合反应。纤维蛋白原吸附实验表明：表面聚合接枝亲水性聚合物 ( 甲基丙烯酸2 羟乙酯( p 删a ) ) 和疏水性聚合物( 聚2 全氟辛基丙烯酸己 酯( p f m a ) ) 能有效的阻抗蛋白质的吸附。 2 基于上面所述改性的方法，通过控制温敏性聚合物单体n 异丙基丙烯酰 胺( n p i a a m ) 与引发剂偶氮二异丁腈的投料比，以控制聚氨酯表面聚n 异丙基 丙烯酰胺( p n i p a a m ) 的接枝分子量，系统研究了表面p n i p a a m 接枝分子量对 蛋白质吸附和细胞黏附行为的影响。选择了三种不同尺寸和带不同电荷的蛋白 质( 人血清白蛋白( h s a ) 、纤维蛋白原( 地) 和溶菌酶( l y s ) ) 作为模型蛋白 质，通过同位素标记的方法考察了不同温度下改性表面对蛋白质的吸附情况。 并利用同位素标记的方法和蛋白质免疫测试的方法研究了改性表面在血浆中在 3 7 下对蛋白质的吸附行为。研究表明：随着表面p n i p a a m 接枝分子量的增加， 蛋白质的吸附量和细胞的黏附数目逐渐减少，并且当p n i p a a m 接枝分子量达到 7 9 1 0 4 时，蛋白质吸附量随着表面接枝p n i p a a m 分子量的增加变化很小，并基 本到达一个平台。在3 7 下，与未经修饰的聚氨酯表面相比，表面接枝p n i p a a m 分子量为1 4 6 1 0 4 的聚氨酯表面h s a 和f g 分别下降了8 6 和9 1 。接枝较高分子 量p n i p a a m 的聚氨酯表面对细胞的阻抗行为主要是其表面对细胞黏附蛋白的阻 抗所导致。 3 基于s p r 技术研究溶菌酶与不同位点硫酸酯化壳聚糖的相互作用，结果 表明：随着硫酸酯化壳聚糖浓度的增大，溶菌酶的结合量增大，并且对应的结 合常数减小，而解离常数增大。同时不同位点硫酸酯化的壳聚糖与溶菌酶在结 合的量上存在明显的差异，其中结合量的顺序为6 o 硫酸酯化壳聚糖( 6 s ) 2 - n 6o 硫酸酯化壳聚糖( 2 6 s ) 3 , 6 o 硫酸酯化壳聚糖( 3 6 s ) 2 - n 3 ，6o 硫酸酯化壳聚糖( 2 3 6 s ) 。这说明溶菌酶与硫酸酯化壳聚糖在结合过程中，静电 相互作用并不是影响两者结合的唯一因素。 关键词：生物大分子、亲疏水表面、聚n 异丙基丙烯酰胺、生物活性表面 a b s t r a c t t h er e s p o n s i v i t yo fi n t e r a c t i o n sb e t w e e nb i o m a c r o m o l e c u l e sa n dm a t r i xi n r e s p o n s et ob i o l o g i c a ls i g n a l si so n eo ft h ec o r ep r o c e s s e so fb i o l o g i c a la c t i v i t i e sa n d f u n c t i o n s t h et y p ea n da m o u n to fa d s o r b e db i o m a c r o m o l e c u l e so nt h es u r f a c ep l a y a ni m p o r t a n tr o l ei nd e t e r m i n i n gt h eu l t i m a t eb i o c o m p a t i b i l i t ya n db i o f u n c t i o n a l i t yo f ag i v e nm a t e r i a lw h e ne x p o s i n gt oab i o l o g i c a le n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，i n v e s t i g a t i o n o ft h ei n t e r a c t i o no fb i o m a c r o m o l e c u l e sa n ds u r f a c e so fb i o f u n c t i o n a lm a t e r i a l sa r eo f g r e a tt h e o r e t i c a li n t e r e s tf o rt h ec o n s t r u c t i o no fb i o f u n c t i o n a lm a t e r i a l s ，p r o t e i n s e p a r a t i o na n dp u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , b i o - d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n ds oo n i nt h i sr e s e a r c h ，v i n y lg r o u p sw e r ef i r s ti n t r o d u c e dt op o l y u r e t h a n e ( p u ) s u r f a c e s b yas i m p l ec h e m i c a lm e t h o da n dt h e nt h r e ed i f f e r e n ts u r f a c e si n c l u d i n gh y d r o p h i l i c p o l y m e r - m o d i f i e dp o l y u r e t h a n e ss u r f a c e s ，h y d r o p h o b i cp o l y m e r - m o d i f i e d p o l y u r e t h a n e ss u r f a c e sa n ds t i m u l i - r e s p o n s i v ep o l y m e r - m o d i f i e dp o l y u r e t h a n e s s u r f a c e sw e r ec o n s t r u c t e db ys u r f a c e - i n i t i a t e dr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o nw i t l lv a r i o u s v i n y lm o n o m e r s t h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h et h r e ed i f f e r e n ts u r f a c e sa n dp r o t e i n s w e r ei n v e s t i g a t e d o nt h eo t h e rh a n d ，t of a b r i c a t eb i o a c t i v e s u r f a c e s ，p r o t e i n s ( 1 y s o z y m e ) w e r ei m m o b i l i z e do ns u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ( s p r ) s e n s o rb y c h e m i c a lg r a f t i n gm e t h o d t h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nl y s o z y m ea n dr e g i o s e l e c t i v e l y s u l f a t e dc h i t o s a nw e r es t u d i e db ys p r t h ed e t a i l e dr e s e a r c hw o r k sw e r ei n t r o d u c e d a sf o l l o w s ： 1 c - cd o u b l eb o n d sw e r ef i r s ti n t r o d u c e dt op o l y u r e t h a n e 口s u r f a c e sb ya s i m p l ec h e m i c a lm e t h o da n dt h e ns u r f a c e i n i t i a t e d r a d i c a lp o l y m e r i z a t i o nw a s c o n d u c t e dw i t hv a r i o u sv i n y lm o n o m e r s t h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nf i b r i n o g e na n d t h e s em o d i f i e dp us u r f a c e sw e r es t u d i e d r e s u l t so fw a t e rc o n t a c ta n g l ea n dx r a y p h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( x p s ) s h o w e dt h a tv i n y lg r o u p s w e r es u c c e s s f u l i n t r o d u c e dt op us u r f a c e sf o rf u r t h e rs u r f a c e - i n i t i a t e dr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n f i b r i n o g e na d s o r p t i o ne x p e r i m e n t s s h o w e dt h a t h y d r o p h i l i cp o l y m e r ( p o l y ( 2 - h y d r o x y e t h y lm e t h a c r y l a t c ) ( p h e m a ) ) a n dh y d r o p h o b i cp o l y m e r ( p o l y ( 1h ，1h ，2 h ，2 h - h e p t a d e c a f l u o r o d e c y la c r y l a t e ) ( p f m a ) ) m o d i f i e dp us u r f a c e s e x h i b i t e dg o o dp r o t e i nr e s i s t a n c e 2 t h ee f f e c to fm o l e c u l a rw e i g h t o fs u r f a c e g r a f t e d p o l y ( n - i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ) ( p n i p a a m ) o np r o t e i na d s o r p t i o na n dc e l la d h e s i o n w a si n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y p n i p a a m - g r a f t e dp o l y u r e t h a n ep u ) s u r f a c e so f v a r y i n gg r a f tm o l e c u l a rw e i g h t ( m 哪w e r ep r e p a r e dv i ac o n v e n t i o n a l r a d i c a l p o l y m e r i z a t i o n t h em ww a s c o n t r o l l e d b ya d j u s t i n g t h e v i n y l m o n o m e r c o n c e n t r a t i o n a d s o r p t i o no ft h r e et y p i c a lp r o t e i n s ( h u m a ns e r u ma l b u m i n ( h s a ) ， f i b r i n o g e n ( f g ) ，a n dl y s o z y m e ( l y s ) ) w i t hd i f f e r e n ts i z e sa n dc h a r g e so nt h em o d i f i e d s u r f a c e sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ew a se v a l u a t e du s i n gar a d i o - l a b e l i n gm e t h o d a d s o r p t i o no fb l o o dp l a s m ao nt h em o d i f i e ds u r f a c e sa t3 7o cw a sm e a s u r e du s i n ga r a d i ol a b e l i n gm e t h o da n di m m u n eb l o ta n a l y s i sr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss u g g e s t e d t h e 铲a rm wp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h ei n t e r a c t i o no fp u - p n i p a a ms u r f a c e w i t hp r o t e i n s a st h em w i n c r e a s e d ，t h ea d s o r p t i o no fp r o t e i n sd e c r e a s e dg r a d u a l l y r e a c h i n ga p l a t e a uv a l u ea tm w a b o v e7 9 x10 4 c o m p a r e dt ot h eu n m o d i f i e dp u ，l e s u r f a c eg r a f t e dw i t hp n i p a a mo fm w14 6 x10 4r e d u c e dt h ea d s o r p t i o no ff ga n d h a si np b sb y9 1 a n d8 6 a t3 7 r e s p e c t i v e l y m o r e o v e r , t h es u r f a c e sw i t h h i g h e ri v l wp n i p a a ms h o w e dm i n i m a la d h e s i o no fc e l l sp r e s u m a b l yd u et ot h e a b s e n c eo fc e l l - a d h e s i v ep r o t e i n so nt h es u r f a c e s 3 l y s o z y m e ( l y s ) i m m o b i l i z e ds u r f a c e sw e r ep r e p a r e da n dt h e i ri n t e r a c t i o n s w i t l lr e g i o s e l e c t i v e l ys u l f a t e dc h i t o s a nw e r gs t u d i e db ys p r t h er e s u l t ss h o w e dt h a t s u l f a t e dc h i t o s a nc o n c e n t r a t i o np l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h ei n t e r a c t i o no fl y sw i t h s u l f a t e dc h i t o s a n a st h ec o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e d ，t h eb i n d i n gc a p a c i t yo fl y sw i t h s u l f a t e dc h i t o s a ni n c r e a s e da n da s s o c i a t i o nr a t ec o n s t a n td e c r e a s e d ，w h i l et h e d i s s o c i a t i o nr a t ec o n s t a n ti n c r e a s e d m o r e o v e r ，s t r u c t u r a ld i f f e r e n c e so fs u l f a t e d c h i t o s a nh a v eg r e a t e ri m p a c t so nt h e i rf o l l o w i n gb i n d i n g t h eo r d e ro ft h eb i n d i n g c a p a c i t yb e t w e e nr e g i o s e l e c t i v e l ys u l f a t e dc h i t o s a na n dl y si s6 一o - s u l f a t e dc h i t o s a n ( 6 s ) 2 - n - 6 一o - s u l f a t e dc h i t o s a n ( 2 6 s ) 3 , 6 一o s u l f a t e dc h i t o s a n ( 3 6 s ) 2 - n - 3 ，6 - o s u l f a t e dc h i t o s a n ( 2 3 6 s ) t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h el y s o z y m eb i n d i n g a c t i v i t y o fc h i t o s a ns u l f a t e sw a sn o t s i m p l yd e t e r m i n e db y s u l f u rc o n t e n to r e l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o n ，w h i l es u l f a t e dg r o u p so nd i f f e r e n tp o s i t i o n sm a yp l a ya n i m p o r t a n tr o l ei nt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nl y s o z y m ea n ds u l f a t e dc h i t o s a n k e y w o r d s ：b i o m a c r o m o l e c u l e s ，h y d r o p h o b i cs u r f a c e s ，p n i p a a m ，b i o a c t i v es u r f a c e 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i i 第1 章绪论1 1 1 生物大分子的结构和功能1 1 2 生物大分子与材料表面的相互作用2 1 2 1 蛋白质在材料表面的吸附过程。2 1 2 2影响蛋白质在材料表面吸附的因素2 1 3 生物材料表面接枝改性方法。3 1 3 1 “接枝到表面”的方法。4 1 3 2 “从表面接枝”的方法4 1 4 生物材料表面修饰进展。6 1 4 。l 阻抗非特异性蛋白质吸附的表面。6 1 4 2 刺激响应性聚合物修饰的表面一8 1 4 3 生物活性表面l0 1 5 本课题的研究目的和研究方案1 1 1 5 1 本课题研究的目的1 1 1 5 2研究方案11 第2 章蛋白质与亲疏水聚合物修饰聚氨酯表面的相互作用1 3 2 1 引言1 3 2 2 实验部分1 4 2 2 1 原料与试剂1 4 2 2 2 相关试剂的纯化l5 2 2 3 实验仪器1 5 2 2 4甲基丙烯酰氯的合成1 6 2 2 5 甲基丙烯酰基异硫氰酸酯的合成1 6 2 2 6聚氨酯膜片的制备1 7 2 2 7乙烯基功能化聚氨酯表面的制备1 7 2 2 8 乙烯基单体在聚氨酯表面的接枝聚合1 7 2 3 测试与表征18 2 3 1 2 3 2 2 3 3 2 4 2 4 1 2 4 2 2 4 3 2 5 第3 章 3 1 3 2 3 2 1 3 2 2 3 2 3 3 2 4 3 2 5 3 2 6 3 2 7 3 2 8 3 3 3 3 1 3 3 2 3 3 3 3 3 4 3 3 5 3 3 6 3 4 3 4 1 3 4 2 3 4 3 3 4 4 x 射线光电子能谱分析( x p s ) 18 水接触角测试仪1 8 蛋白质吸附测试1 8 结果与讨论19 聚氨酯表面聚合接枝乙烯基单体1 9 水接触角测试2 0 纤维蛋白原的吸附2 2 本章小结2 3 蛋白质与p n i p a a m 改性聚氨酯表面的相互作用研究一2 4 引言2 4 实验部分2 5 材料与试剂2 5 相关试剂的纯化2 6 实验仪器2 6 甲基丙烯酰氯的合成。2 7 甲基丙烯酰基异硫氰酸酯的合成2 7 聚氨酯膜片的制备2 7 乙烯基功能化聚氨酯表面的制各2 7 聚氨酯表面聚合接枝不同分子量聚n 异丙基丙烯酰胺2 7 测试与表征2 8 水接触角测试仪2 8 凝胶渗透色谱( g p c ) 2 8 蛋白质吸附测试2 9 血浆中纤维蛋白原的吸附测试2 9 细胞培养与粘附2 9 蛋白质免疫印迹测试3 0 结果与讨论3 0 不同分子量p n i p a a m 接枝聚氨酯表面的制备及表征3 0 蛋白质的吸附3 2 血浆中纤维蛋白原的吸附3 6 细胞黏附3 7 3 4 5 蛋白质免疫印迹3 9 3 5 本章小结4 0 第4 章基于s p r 研究定位硫酸酯化壳聚糖与溶菌酶的相互作用4 2 4 1 引言4 2 4 2 实验部分4 3 4 2 1 原料与试剂4 3 4 2 2 常用溶液的配制4 4 4 2 3 实验仪器4 5 4 2 4 s p r 芯片表面接枝p o e g m a 。4 5 4 2 5 s p r 芯片表面固定溶菌酶4 6 4 2 6 s p r 芯片表面固定的溶菌酶与硫酸酯化壳聚糖的相互作用4 6 4 3 结果与讨论4 6 4 3 1 s p r 芯片表面接枝p o e g m a 对l y s 的特异性阻抗4 6 4 3 2s p r 芯片表面固定溶菌酶4 7 4 3 3s p r 芯片表面固定溶菌酶与定位硫酸酯化壳聚糖的相互作用4 8 4 4 本章小结5 0 第5 章结论5 l 致谢5 3 参考文献5 4 附录：硕士论文工作期间科研成果6 3 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1生物大分子的结构和功能 生物大分子主要是指作为生物体内主要活性成分的各种分子量到达上万或 更多的有机分子。它们参与生物体机体的构成和各项生命活动。生物体中的生 物大分子主要分为四类：蛋白质、脂质、核酸和糖类。 蛋白质是生物体内种类繁多、数量最大、功能最为复杂的一类生物大分子。 它存在于所有的生物细胞中，是由许多氨基酸通过肽键连接而形成的大分子含 氮化合物。它参与几乎所有的生命活动过程，是生物功能的执行者。蛋白质的 主要功能如下：生物催化功能( 酶) 、结构功能( 作为有机体的结构成分，为细 胞和组织提供强度和保护) 、转运功能( 如血液中的血红蛋白可以运载氧分子) 、 运动功能( 如肌肉中的肌球蛋白和肌动蛋白) 、营养和储存功能、调控功能( 如 生命体内的一些激素和调节因子都是蛋白质) 、保护和防御功能( 抗体) 以及接 受和传递信息功能。蛋白质的大多数的功能都是通过与周围环境的相互作用来 实现的。蛋白质之所以具有如此多样化的功能，主要是由于蛋白质链的多级结 构所决定的。蛋白质的一级结构对应的是多肽链的氨基酸排列顺序；二级结构 对应的是多肽链依靠氢键形成的a 一螺旋和d 一折叠；三级结构对应的是肽链借 助各种次价键弯曲、折叠成具有特定走向的构象；四级结构是指蛋白质中各亚 基之间的结合方式和空间方位，并且各个亚基又有自己特定的三级结构。蛋白 质的这些多级结构的变化受蛋白质所处的外界基质环境的影响【l ，2 1 。 糖类是自然界中最为丰富的一类天然有机分子，它广泛分布于动、植物体 内，是生物体赖以生存的基本物质。糖类的结构是一类多羟基的醛或多羟基的 t 酮。根据糖结构单元数目可以分为单糖、寡糖、多糖、结合糖和糖的衍生物。 由于糖单元具有多羟基，可被其他基团所取代，这使得糖具有许多生物学功能。 生物体内糖主要的生物学功能有：提供能量、作为物质代谢的碳骨架、构成细 胞和组织的骨架以及参与细胞间的识别和生物分子之间的识别( 如细胞膜表面 的糖蛋白的寡糖链部分可以参与细胞间的识别，同时一些细胞的细胞膜含有糖 分子或寡糖链，构成细胞的天线，参与细胞的通信) 等等【2 】。事实上糖的生物学 功能更多的是取决于它与蛋白质以及基质之间的相互作用，如肝素在抗凝血体 系中的作用主要是它与蛋白质抗凝血酶a t i i i 结合所导致【3 4 】。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 生物大分子与材料表面的相互作用 我们知道生物大分子是生命活动的执行者，在生物体内发挥重要的作用。 生物大分子与基质之间的相互作用，以及这种相互作用对生物信号变化的响应 是生命活动和生物功能的核心过程之一。生物大分子与基质之间的相互作用可 直观的表现为生物大分子在基质表面的吸附量、构象和形态的变化。因此研究 生物大分子与生物功能材料表面的相互作用，揭示这种作用对功能材料表面特 性变化的响应，对具有特定生物功能材料表面的构建，蛋白质的分离、纯化技 术，生物检测技术等的应用研究具有重要的理论指导意义【5 1 。 1 2 1 蛋白质在材料表面的吸附过程 通常材料与生理环境相接触时，蛋白质及相关生物大分子会很快吸附在材 料表面。这种吸附的过程是一个复杂的动态过程。蛋白质首先在浓度梯度的作 用下与材料表面无限接近，接着在材料与蛋白质的相互作用力下使蛋白质黏附 在材料表面，并导致蛋白质分子发生构象变化使之逐渐铺展重排，形成更多的 位点与材料表面接触。在外界条件的扰动下，吸附在材料表面的蛋白质会脱附 下来，留下的位点很快又会被其他蛋白质所占住。蛋白质吸附到材料表面的传 输过程( 也就是蛋白质与材料表面无限接近的过程) 主要受到如下4 种传输机 理中一种或多种共同起作用，( 1 ) 扩散；( 2 ) 热对流；( 3 ) 流动；( 4 ) 互传输。 而影响材料表面与蛋白质的相互作用力主要包括疏水作用力、范德华力、氢键 和静电相互作用，这些作用力直接决定着蛋白质在材料表面吸附的稳定程度及 吸附的数量。蛋白质在材料表面脱附的过程相对于小分子来说要困难的多，这 主要是由于蛋白质本身的体积及与材料表面的结合的位点数目所决定的。一般 蛋白质及相关生物大分子在材料表面的脱附主要是如下三个因素所导致，( 1 ) 热扰动；( 2 ) 剪切流动；( 3 ) 其他能够更稳定地吸附于表面的物质与蛋白质或 其他生物大分子竞争吸附所做的功【5 7 1 。 1 2 - 2 影响蛋白质在材料表面吸附的因素 影响蛋白质在材料表面吸附的因素主要包括蛋白质本身的性质、溶液的性 质及材料表面的物理性质和化学性质【5 ，8 ，9 1 。 1 蛋白质本身的性质 研究表明蛋白质本身的性质会对其在材料表面的吸附行为产生影响，而这 2 武汉理工大学硕士学位论文 种影响主要与蛋白质的一级结构有关即氨基酸的序列。尺寸较大的蛋白质可与 材料表面形成更多的接触位点，从而导致吸附量的增加。同时蛋白质表面所带 的电荷数目、结构的稳定性和伸展速率也会影响其本身在材料表面的吸附。通 常容易发生伸展的蛋白质或蛋白质分子在其对应的等电点附近会更容易地吸附 到材料表面【5 j 。 2 溶液的性质 由于蛋白质本身是一种两性电解质，介质溶液的温度、p h 、浓度、离子强 度等会直接导致蛋白质构象状态的改变，这种改变将直接影响到蛋白质与材料 表面的相互作用。同时对于多元的蛋白质溶液来说，不同蛋白质之间的竞争吸 附也会影响蛋白质在材料表面的吸附【5 ，1 0 , 1 1 1 。 3 材料表面的物理和化学性质 在蛋白质本身性质不变的条件下，材料表面的性质直接决定着蛋白质在材 料表面的吸附量。一般来说，材料表面的性能主要包括材料表面的几何性能( 物 理性能) 和化学性能【引。 ( 1 ) 几何性能主要是指材料表面的拓扑结构，这种结构可以认为是一种阶 层结构，即从原子、分子结构到纳米、微米结构，再到宏观结构。特别是具有 微、纳米结构的表面，由于这种结构的存在会导致材料表面的性能相对于材料 本体来说发生了显著的变化，使这种表面具有很高的比表面能和比表面积，导 致具有更多的可结合区域供蛋白质的吸附。材料表面的拓扑结构对蛋白质吸附 的影响已有许多相关的研究。一般具有拓扑结构的表面吸附的蛋白质比光滑平 面要吸附的多【5 ，9 ，1 2 - 1 5 1 。 ( 2 ) 化学性能主要由材料表面的化学组成所决定，材料表面的化学性能主 要包括表面的亲疏水性能、电荷分布、表面能等，材料表面化学组分的改变直 接影响着表面与蛋白质的相互作用力【引。一般具有亲水性的高分子表面具有较好 的蛋白质阻抗性能。 1 3 生物材料表面接枝改性方法 对于生物材料如人体植入材料和生物传感器，材料表面的抗生物污染的能 力对于提高其材料的生物相容性和生物传感器的灵敏度是十分重要的【6 ，7 16 1 。而 这种生物污染主要是由生物大分子如蛋白质和多糖在材料表面的吸附所导致。 材料表面的化学组分直接影响着生物分子在材料表面的吸附，而表面改性是控 武汉理工大学硕士学位论文 制生物大分子在材料表面吸附的一种有效方法。通过表面化学接枝的方法可以 在不改变材料本体性能的前提下，根据实际需求改变材料表面的化学成分，实 现材料新的功能。表面化学接枝主要分“接枝到表面”的方法和“从表面接枝” 的方法【1 7 ，1 引。 1 3 1“接枝到表面 的方法 “接枝到表面”的方法是聚合物链通过具有反应活性的末端基或侧基与功 能化表面的基团进行化学反应连接到基材表面，如图1 - 1 ( a ) 所示 1 9 1 。“接枝到 表面”法可以在不改变基材本体性能的前提下，使聚合物链以共价键的方式连 接到基材表面，从而改变材料表面的性能。但是由于已接枝聚合物之间的空间 位阻效应，溶液本体中的聚合物链末端端基难以扩散到基材表面，从而难以达 到较高的接枝密度和较厚的接枝层【l 引。 b ) a 专 o m e r 图1 - 1 ( a ) “接枝到表面( g r a f t i n gt o ) ，( b ) “从表面接枝( g r a f t i n gf r o m ) ” 1 3 2“从表面接枝”的方法 “从表面接枝”法首先将反应活性种( 一般是一种有机小分子) 以化学键 4 武汉理工大学硕士学位论文 的形式固定到基材表面，然后从表面引发乙烯基单体接枝聚合，如图1 1 ( b ) 所示【1 8 1 9 】。与“接枝到表面”法中的聚合物链相比，单体体积小，容易扩散到 基材表面发生链增长反应，可以获得较高的接枝密度和接枝层厚度。 目前，“从表面接枝”的方法因其具有很好的应用前景，己引起众多研究者 的广泛兴趣。据文献报道，“从表面接枝”的方法主要分为：传统自由基的表面 聚合和活性可控聚合。传统自由基的表面聚合一般用于高分子材料的表面改性， 而活性可控聚合一般用于模型表面无机材料表面【1 7 ，1 8 】。 1 3 2 1 表面引发一般( 传统) 自由基聚合 表面引发一般自由基聚合因其所需设备简单并且反应条件温和已被广泛应 用于聚合物的表面改性。表面引发一般自由基聚合通常是利用光照或加热，使 材料表面产生自由基位点，然后引发单体在材料表面的聚合，达到材料表面改 性的目的【捌。w h 等人在聚氨酯表面引入乙烯基官能团，然后以偶氮二异丁腈 ( a i b n ) 作为引发剂，在加热的条件下，通过引发表面的乙烯基官能团将溶液 中的乙烯基单体聚合接枝在聚氨酯表面，通过选择合适的乙烯基单体可以实现 对聚氨酯表面的亲水性和超疏水性能的调控，并成功制备了亲水性表面和超疏 水性表面 2 0 】。b a k e r 等人首先将偶氮类的有机分子通过自组装的方法固定在a u 片表面，然后在加热的条件下，末端的偶氮部分受热分解产生自由基，引发苯 乙烯的聚合，形成具有高度键合密度的聚合物层。其他研究小组通过类似的方 法引发聚合了一系列聚合物【2 l 】。s u n d l e 等人利用电子束预处理聚乙烯( p e ) 表 面，可将不同的乙烯基单体聚合在其表面1 1 9 1 。 1 3 2 2 表面引发活性一自由基聚合 相比一般的活性可控聚合，表面引发活性自由基聚合不但拥有活性可控聚 合的优点，即聚合物的分子量与反应时间及单体的转化率成线性关系，可以通 过控制反应时间精确的控制表面接枝聚合物的分子量；同时它还具有一般自由 基的优点，即对水和有机介质具有良好的相容性，并且可广泛用于各类乙烯基 单体。这种表面引发活性自由基聚合由于不存在链终止反应或链引发终止反应 可逆，可以通过二次引发聚合反应接枝第二嵌段的聚合物。表面引发活性一自由 基聚合反应可分为表面引发原子转移自由基聚合、基于引发终止剂的表面引发 活性自由基聚合、基于可逆加成裂解链转移的表面引发活性自由基聚合和基 于稳定转移自由基聚合的表面引发活性转移自由基聚合【l 7 1 8 j 。 武汉理工大学硕士学位论文 h u a n g 和w i r t h 于1 9 9 7 年首次利用表面原子转移自由基聚合的方法将聚丙 烯酰胺( p a a m ) 聚合接枝到硅基材表面。这种聚合反应主要基于表面固定的卤 素原子在休眠种和氧化态金属络合物间可逆迁移实现对聚合反应的控制【2 2 1 。基 于引发终止剂的表面引发活性自由基聚合是将具有引发转移终止性能的物质 固定在基材表面，然后通过光引发实现对聚合物链增长的控制。基于可逆加成 裂解链转移的表面引发活性一自由基聚合利用表面固定的二硫代酯类衍生物来进 行的可逆加成裂解链转活性自由基聚合。基于稳定转移自由基聚合的表面引发 活性转移自由基聚合利用表面固定的有机分子在热诱导的作用下产生的稳态自 由基进行的聚合反应。稳态自由基主要以t e m p o ( 2 ，2 ，6 ，6 四甲基哌啶氮氧自由 基) 为代表的烷基氧化胺类化合