聚合物表面微调控诱导蛋白质区域选择性吸附

摘要

在聚合物表面构筑微拓扑结构，控制生物分子和材料表面之间的相互作用，对于制作高性能的生物传感器和生物医药器件非常重要。
　　 通过直接对聚合物材料表面官能化并图案化可以实现蛋白质等生物分子在指定区域内的选择性吸附。例如，含-COOH的表面被用来在生物传感器或者细胞生长分析中通过共价吸附方式固定蛋白；PEG改性过的表面可以降低非特异性蛋白吸附，被用于改善聚合物材料表面的生物相容性。但是，直接引入到惰性聚合物表面上的官能团不稳定，长久放置容易发生表面重排。通常为了减少聚合物的表面重排现象，会将聚合物基材冷冻或者浸在极性溶液中，然而这两种方法均会限制聚合物材料在生物医药领域的应用。因此，寻找一种新的可以解决表面重排现象的方法是有必要的。
　　 最近有研究者尝试将金、银等贵金属沉积到聚合物材料表面以对其化学惰性表面进行修饰。如果金属组分可以牢固地结合到聚合物材料基底上，进一步接枝含巯基的高分子后就可以对聚合物表面的生物相容性进行控制。因为含有巯基基团的化合物，可以通过一端巯基与金属表面发生强烈的共价键合的作用，简单牢固地接枝到金属表面；另一端活泼的-COOH，-NH2，乙二醇等官能团则可以用于控制蛋白等生物分子的固定。同时由于不存在聚合物表面存在的表面重排现象，金属表面可作为生物分子固定的一个非常有价值的平台。如果在聚合物材料表面实现金属的图案化，进一步官能化改性后便可实现蛋白等生物分子在聚合物材料表面的选择性吸附。但是目前为止，通过金属图案化控制蛋白在聚合物材料表面实现选择性吸附的研究还很少有过报道。
　　 本文采用紫外光照接枝图案化诱导蛋白图案化和金属图案化诱导蛋白图案化两种不同的方法，在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基材表面实现了蛋白的选择性吸附，并对两种选择性吸附的效果进行了比较说明。本文主要研究结论如下：
　　 1.利用紫外光照技术和自组装单分子膜技术，直接对PET基材表面进行聚乙二醇官能化改性，图案化后进行蛋白吸附。紫外光照处理PET基材后，PET材料表面粗糙度增加，表面水接触角降低很大，表面的亲水性得到了显著的提高，产生的羧基等活性官能团，可用于APTES自组装；水接触角测试、异硫氰酸荧光素(FITC)染色分析和XPS测试表明APTES单分子膜成功地沉积在紫外光照处理过的PET材料表面，并成为随后MDI和PEG接枝成功的基础层；水接触角和XPS测试，以及随后进行的XPS拟合分峰均证明，PEG成功地接枝在了PET基材表面。对PET-Control和PET-PEG进行荧光蛋白吸附，荧光显微镜结果表明：接枝PEG之后，吸附在PET表面的蛋白量明显减少，这说明PEG改性提高了PET的生物相容性，因表面较高疏水性引起的非特异性吸附蛋白的问题得到解决；对PEG改性后的PET表面图案化后进行蛋白吸附，荧光显微镜结果表明：采用紫外光照接枝图案化诱导蛋白图案化得到的蛋白图案具有良好的保真性，可以较好地诱导蛋白质在PET表面的选择性吸附。
　　 2.采用172 nm真空紫外光刻蚀技术和无电解镀银技术在PET基材表面构建了银微图案，进一步用含巯基的聚乙二醇(HSPEG)改性后进行蛋白吸附。采用静态水接触角测试、X射线光电子能谱、场发射扫描电镜对金属图案化以及HSPEG改性的PET基材表面进行检测，检测结果表明金属银图案具有良好的保真性，HSPEG对银图案的改性是成功的；荧光显微镜检测结果证实聚合物表面金属图案化可以诱导蛋白图案化，得到的蛋白图案具有良好的保真性，可以很好地实现蛋白质在表面的选择性吸附。
　　 3.对比本文中诱导蛋白在聚合物表面选择性吸附的两种方法，发现：相对于紫外光照接枝图案化诱导蛋白选择性吸附，金属银图案化改性使得聚合物表面改性后功能团的稳定性提高，蛋白选择性吸附的选择性更高。这一研究为蛋白质分子的区域选择性固定提供了新的研究方向，并为生物传感器的制作做出了理论分析方面的贡献。