聚(N-乙烯基吡咯烷酮)接枝改性表面及其蛋白质吸附研究

摘要

蛋白质与生物材料表面的相互作用，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。当生物医用材料和机体内环境接触时，首先发生的反应便是体液或血液中蛋白质在材料表面的吸附，所吸附蛋白质的种类、数量及其取向和构象将直接影响材料与生命体的生物相容和功能诱导。因此，研究蛋白质与生物材料表面的相互作用，揭示这种作用对材料表面特性变化的响应，进而实现对蛋白质吸附行为的调控是生物材料领域重要的前沿课题，具有十分重要的基础研究价值并对生物材料的开发具有指导意义。
　　 聚(N-乙烯基吡咯烷酮)(PVP)具有优异的水溶性和生物相容性，已广泛应用于生物、医药、食品、材料等领域。本论文的主要工作是构建基于PVP的高分子修饰表面，系统研究蛋白质等生物大分子与PVP改性表面的相互作用，并研究材料表面不同化学性质对吸附于表面的蛋白质构象的影响，以及进一步对蛋白质生物活性所产生的影响，其主要内容如下：
　　 1.采用自组装的方法将十八硫醇(疏水)和巯基修饰聚乙二醇(亲水)引入到金表面，制备了具有不同化学性质的表面。选择溶菌酶作为模型蛋白质，通过异硫氰酸荧光素标记法测定了改性表面的溶菌酶吸附情况，并进一步采用溶菌酶活力检测试剂盒测定了吸附于表面溶菌酶的活性，最后采用表面增强拉曼光谱法研究了溶菌酶吸附于材料表面后构象的变化。研究结果表明，吸附于表面的溶菌酶活性与其在表面构象的变化直接相关：吸附于表面的溶菌酶构象变化越小，其活性越高。该法为表面吸附态蛋白质构象的研究提供了一个简单有效的检测手段。
　　 2.采用表面引发原子转移自由基聚合(SI-ATRP)技术制备了一系列PVP接枝改性硅表面，并系统研究了PVP改性表面与血浆蛋白质相互作用情况。通过同位素标记法研究了PVP改性表面对单一组分蛋白质溶液、双组分蛋白质溶液以及复杂体系(人血浆)中模型蛋白质的吸附，并进一步通过蛋白质免疫印迹研究了PVP改性表面对血浆中常见蛋白质，特别是与凝血过程相关的多种重要蛋白质的吸附情况。研究结果表明：PVP改性表面能够排斥绝大多数血浆蛋白质的吸附，特别是在凝血过程中起重要作用的几种蛋白质(如纤维蛋白原)的吸附，且PVP改性表面具有选择性吸附人血清白蛋白(HSA)的性能。而材料表面引入HSA层后可以有效抗生物污染，表明PVP接枝改性表面具有较好的血液相容性，在血液接触材料表面改性中将具有较好的应用前景。
　　 3.通过SI-ATRP技术制备了聚(N-乙烯基吡咯烷酮)-b-聚苯乙烯(PVP-b-PS)两亲嵌段共聚物接枝改性玻片表面，并研究了改性表面与蛋白质的相互作用及其对细胞黏附、铺展和增殖的影响。蛋白质吸附实验研究结果表明，与未改性玻片表面相比，PVP-b-PS改性玻片表面具有一定程度的排斥非特异性蛋白质吸附的能力。细胞黏附实验研究结果表明，PVP-b-PS表面可以促进细胞的黏附和铺展，说明通过PVP-b-PS嵌段共聚物对表面的修饰，有可能实现对材料表面蛋白质吸附及细胞黏附的调控。
　　 在此基础上，进一步系统研究了PVP-b-PS和PS-b-PVP两亲嵌段共聚物接枝改性表面化学组成和微相分离行为对蛋白质吸附和细胞黏附的影响。结果表明：通过精细调控材料表面化学组成和亲疏水链段的长度，材料表面可形成结构规则的纳米微区结构，这些结构有助于实现对材料表面蛋白质吸附和细胞黏附行为的有效调控。
　　 4.通过SI-ATRP技术在长链硅烷化引发剂金表面接枝聚合N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)，制备了热稳定性良好的PVP改性金表面。该法克服了传统改性方法Au-S键稳定性差的问题，从而使后续进一步的修饰和改性成为可能。与此同时，该PVP接枝改性金表面具有优异的排斥非特异性蛋白质吸附的能力。
　　 我们将该方法应用于修饰表面等离子体共振(SPR)芯片后，实时监测纤维蛋白原(Fg)在改性前后表面的吸附情况，研究表明，Au-PVP芯片表面的Fg吸附量与同位素标记法所测得的结果相互吻合，表明硅烷化法制备的PVP接枝改性金表面可成功用于SPR芯片。
　　 材料表面化学改性是控制蛋白质和材料表面之间的相互作用、调控细胞的黏附和功能实现及提高材料生物相容性和生物功能性的一种有效手段。本论文的研究工作为设计新型生物材料提供了多种途径，具有重要的基础研究价值，并在组织工程、生物传感器等领域具有潜在的应用前景。