阿拉伯半乳聚糖蛋白(AGP)分子的自聚集行为及其对单壁碳纳米管分散的研究

摘要

多糖是生物体内除蛋白质和核酸以外的另一类重要的生物大分子，广泛存在于动物、植物和微生物体内，发挥着重要的生理功能。阿拉伯胶是众多多糖中的一种，来源于金合欢属(Acacia)的Acacia senegal、Acacia seyal等树种所分泌的树胶。阿拉伯胶是人类使用历史最悠久的多糖之一，其使用历史可以追溯到4000多年前的古埃及时代。它也是最早由美国食品及药品管理局(US Food and DrugAdministration．FDA)批准的可应用于食品的亲水胶体之一，己被广泛地应用于食品、制药、化妆品等行业。近些年，随着对阿拉伯胶深入的研究，阿拉伯胶在生物医药、纳米科学、材料科学领域也显示出了巨大的应用潜力。
　　 阿拉伯胶含有阿拉伯半乳聚糖(AG)，阿拉伯半乳聚糖蛋白(AGP)和糖蛋白(GP)。AGP分子中既含有疏水的多肽链部分，也含有亲水的多糖部分，具有“编花式，wattle blossom-type”分子结构，它赋予了阿拉伯胶良好的界面活性。本论文对阿拉伯胶，特别是AGP组分的性质和作用及其对阿拉伯胶溶液性质的影响，进行了系统研究，主要内容及结论如下：
　　 1．“熟化”过程对于阿拉伯胶中AGP组分的影响。“熟化”程度越高，阿拉伯胶中“AGP”组分的含量越高，阿拉伯胶的分子量越高。“熟化”过程中AG和GP分子相互结合，形成具有两亲性质的“类AGP”多糖/蛋白质聚集体。“熟化”过程中所形成的“AGP”分子不含天然AGP分子所具有的聚脯氨酸PPII螺旋结构。
　　 2．阿拉伯胶溶液中AGP分子的自聚集行为。阿拉伯胶分子的流体力学直径(Dh)对溶液的浓度具有一定的依赖性。高于临界转变浓度(ca.30 mg/mL)时，阿拉伯胶分子会发生分子自聚集。阿拉伯胶分子自聚集行为与阿拉伯胶分子自身表面电荷的变化有关。当阿拉伯胶溶液浓度大于lmg/lmL时，阿拉伯胶分子的电位的绝对值急剧减小，分子间静电斥力迅速减小，分子倾向于聚集。通过“疏水探针”法确定的AGP分子的临界胶束浓度(CMC)约为1.95 mg/mL，处于阿拉伯胶分子发生分子自聚集的临界转变浓度范围之内。阿拉伯胶分子自聚集行为的本质是AGP分子在溶液中形成胶束。AGP分子在不同浓度的溶液中可以形成“分子内”或“分子间”胶束。当阿拉伯胶溶液浓度低于临界胶束浓度时，AGP分子电位的绝对值较高，分子间静电斥力较大，分子间相互作用困难，AGP分子倾向于形成“分子内”胶束；当阿拉伯胶溶液浓度高于临界胶束浓度时，AGP分子电位的绝对值较低，分子间静电斥力较小，分子间较易发生相互作用，AGP分子形成“分子间”胶束。
　　 3．阿拉伯胶溶液的剪切变稀行为。通过引入参数——归一化粘度和临界剪切速率，描述了阿拉伯胶溶液的剪切变稀行为。阿拉伯胶溶液的剪切变稀行为与溶液浓度相关，溶液剪切变稀行为在交叠浓度最为明显。通过动态光散射方法考察剪切速率对阿拉伯胶分子粒径的影响，发现阿拉伯胶溶液的剪切变稀行为源于溶液中存在AGP分子胶束的缔合平衡。以此为基础，建立了唯象的物理模型，对阿拉伯胶溶液的流变学性质进行了描述和解释。AGP分子胶束在剪切时遭到破坏，剪切变稀现象发生。静置或减小剪切速率后，AGP分子在疏水作用下重新聚集成胶束。在空间位阻和剪切作用的影响下，AGP分子在重建过程中可以形成尺寸更大的胶束，使溶液粘度和模量增加。当阿拉伯胶溶液浓度处于交叠浓度以下时，AGP分子以“分子内”胶束的形式存在，剪切前后AGP分子聚集方式不发生变化，溶液的剪切变稀行为不明显；在交叠浓度下，剪切后的AGP分子聚集方式由“分子内”胶束转变为“分子间”胶束，溶液的剪切变稀行为显著；在高浓度下，AGP分子以“分子间”胶束形式存在，剪切前后分子聚集方式不变，溶液的剪切变稀行为不明显。在高速剪切下，AGP分子胶束被完全破坏，溶液呈牛顿流体行为。
　　 4．AGP分子胶束对阿拉伯胶溶液触变性的影响。由于阿拉伯胶溶液中AGP分子胶束存在缔合平衡，因此阿拉伯胶溶液具有触变性。AGP胶束在不同的剪切速率下的聚集状态各不相同，它对阿拉伯胶溶液的流变学性质具有显著的影响。阿拉伯胶溶液的稳态应力可以通过应力阶跃(stress jump)进行分解，溶液的稳态应力中的弹性贡献主要来自AGP分子胶束。剪切速率越小，阿拉伯胶溶液中AGP分子胶束越多，溶液稳态应力中的弹性贡献越大。
　　 5．阿拉伯胶溶液分散和稳定单壁碳纳米管的机理。当阿拉伯胶浓度高于1mg/mL时，能有效地分散和稳定单壁碳纳米管。阿拉伯胶溶液浓度越高，单壁碳纳米管在溶液中聚集状态（单壁碳纳米管束）越少，单根单壁碳纳米管越多。通过GPC-MALLS、荧光、表面张力、圆二色谱以及流变学的方法，证明了AGP是阿拉伯胶中分散、稳定单壁碳纳米管的关键组分。AGP分子通过疏水作用与单壁碳纳米管发生相互作用，通过提供空间位阻和静电斥力以维持单壁碳纳米管在水中的稳定性，其中空间位阻作用为主导。阿拉伯胶溶液浓度越高，单壁碳纳米管表面AGP分子的吸附量越高，单壁碳纳米管在溶液中的数量越多，稳定性越好。
　　 6．AGP对单壁碳纳米管生物相容性的改善。作用于单壁碳纳米管表面的AGP分子，能够明显地降低单壁碳纳米管对于Hela细胞增殖分裂的抑制率。单壁碳纳米管表面吸附的AGP分子越多，单壁碳纳米管对于Hela细胞增殖分裂的抑制率减小越明显。通过AGP分子对单壁碳纳米管表面进行非共价的修饰能减小单壁碳纳米管的细胞毒性，提高单壁碳纳米管的生物相容性。另外，由于单壁碳纳米管和甲瓒之间容易发生非特异性吸附，使用MTT法来评价单壁碳纳米管的细胞毒性会带来一定的实验误差。
　　 7．使用单壁碳纳米管/阿拉伯胶分散液制备单壁碳纳米管薄膜。采用“抽滤”法，使用单壁碳纳米管/阿拉伯胶分散液制备了单壁碳纳米管薄膜。通过控制单壁纳米管的沉积量，可以控制薄膜厚度。所制得的薄膜最薄可达53.1 nm，在波长550nm处的透过率达95％，具有良好的透光性能。通过控制单壁碳纳米管的沉积量，也可以制备出不同导电率的单壁碳纳米管薄膜。单壁碳纳米管导电薄膜的导电率与碳纳米管所形成的网络结构有关，导通性网络结构越多，导电率越高。