材料表面蛋白质吸附定量表征方法的对比研究

摘要

蛋白质在材料表面的吸附决定了生物材料在很多生物医学应用中的最终表现，因此，蛋白质吸附量是评价材料生物性能的重要指标。蛋白质在材料表面的干态吸附量在纳克级别，这对蛋白质吸附的定量表征方法提出了极高的要求。目前已发展了多种具有较高灵敏度的用于表征蛋白质吸附量的方法，但由于其所基于的检测原理不同或数据处理过程中物理量的转换导致的结果偏差，致使不同方法对同一体系的检测结果不相吻合。这往往会导致对材料的生物性能的错误评价。因此，系统的研究对比不同方法测试结果之间的差异，从而分析各种方法在定量表征蛋白质吸附时适用性是十分必要的。
　　本论文针对目前在定量表征蛋白质吸附方面最常用的两种方法——基于光学原理的表面等离子体共振（SPR）和基于声学原理的石英晶体微天平（QCM），构建典型的模型表面，通过对比研究，深入探讨这两种方法在定量表征蛋白质吸附方面的适用性。主要研究工作包括以下两个方面：
　　（1）通过化学修饰调控表面浸润性，获得系列具有不同蛋白质吸附能力的模型表面，对比125I同位素标记法、SPR和QCM-D三种方法获得的该系列表面上蛋白质吸附量结果之间的差异。将十一烷基硫醇（UT）和三乙二醇-11-巯基十一烷基醚（TEGMUE）以不同比例混合组装在金表面，X射线光电子能谱（XPS）和水接触角测试结果表明该系列表面具有呈梯度变化的表面化学组成及表面浸润性。通过三种方法测得的纤维蛋白原吸附量均随表面疏水性的增加而增加。SPR测得的蛋白质吸附量随表面浸润性变化趋势曲线与125I同位素标记法测得的曲线几乎平行，但吸附量之间不存在一致的转化系数，说明SPR数据转化过程中普遍采用的Stenberg转化系数（1 RU·mm2/pg）并不适用于蛋白质吸附量极低的情况。QCM-D由于测得的是蛋白质的湿态质量，因此对具有较高吸附量表面的测试结果均大于其他两种方法，而在低吸附表面，QCM-D的测试值却低于125I同位素标记法测试结果，说明普遍采用的Voigt模型在拟合处理蛋白质吸附量极低的情况时仍存在不足。同时，QCM-D结果随表面性质的变化趋势与SPR和同位素两种表征方法结果相比具有较大差异，主要是不同表面引起的蛋白质吸附层的含水量的差异导致的，说明不能利用QCM的质量结果直接衡量比较不同性质表面上的蛋白质吸附情况。
　　（2）针对具有抗污性能的亲水聚合物刷表面，研究 QCM-D对蛋白质吸附量的测试性能。对抗污表面蛋白质吸附的精确定量表征是评价材料抗污性能的重要环节，QCM-D由于其极低的检测限而时常用于测试这类表面的蛋白质吸附量。然而基于QCM-D的声学原理，材料表面修饰层的性质可能会对测试性能造成一定影响，如聚合物刷层具有一定的厚度和粘弹性，这很可能会影响QCM-D对吸附于聚合物刷上的蛋白质的感应能力。为了探讨这种情况下QCM-D对蛋白质吸附的检测性能，在金表面修饰了末端带有寡聚乙二醇酯单元的自组装单分子层（SAM-OEG）以及具有不同厚度和粘弹性的亲水性聚合物刷——聚（甲基丙烯酸-2-羟乙酯）（PHEMA）和聚（甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯）（POEGMA）。以SPR测试结果为参比，研究了QCM-D在测试这些表面蛋白质吸附性能时的适用性，尤其关注了SPR检测到明显的吸附而QCM-D检测时表现为“零吸附”的情况。结果表明，在吸附量极低的情况，当亲水性聚合物刷超出一定厚度或高于一定粘度，则QCM-D检测不到蛋白质吸附。QCM-D对低吸附量“感知能力”的下降可能由剪切波振动能量在聚合物刷层中的耗散程度。

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第一章 绪论

1.1蛋白质在材料表面的吸附

1.1.1蛋白质与材料表面的相互作用

1.2材料表面蛋白质吸附的表征

1.2.1同位素标记技术

1.2.2表面等离子共振技术（Surface Plasma Resonance, SPR）

1.2.3石英晶体微天平技术（Quartz Crystal Microbalance, QCM）

1.3不同蛋白质吸附定量表征方法的差异性表现

1.4课题提出

1.4.1研究目的及意义

1.4.2研究内容及研究方案

第二章 QCM-D、SPR和同位素标记法对系列浸润性表面蛋白质吸附的定量表征研究

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1实验材料及试剂

2.2.2实验仪器

2.2.3溶液的配制

2.2.4系列浸润性表面的制备

2.2.5表面性质表征

2.2.6蛋白吸附测试

2.3结果与讨论

2.3.1表面性质

2.3.2蛋白质吸附

2.4本章小结

第三章 QCM-D和SPR对聚合物刷表面蛋白质吸附的定量表征研究

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1实验材料及试剂

3.2.2实验仪器

3.2.3溶液的配制

3.2.4表面自组装单分子层的制备

3.2.6表面性质表征

3.2.7蛋白质吸附测试

3.3结果与讨论

3.3.1引发剂结构

3.3.2表面性质

3.3.2蛋白质吸附

3.4本章小结

第四章 结论与展望

4.1结论

4.2展望

参考文献

硕士论文工作期间科研成果

致谢