基于蛋白质和DNA分子的仿生材料制备与研究

摘要

利用生物学原理设计和制造仿生材料已成为21世纪科学的一个重要发展方向。仿生矿化和分子印记是近年来仿生材料的研究热点。仿生矿化是模拟生物矿化的方法合成人工晶体的一种方法,为合成特种功能晶体材料和生物智能材料提供了新的思路。分子印记聚合物有人工抗体之称,是通过模板分子的诱导作用,获得在空间结构和结合位点上与模板分子完全匹配的聚合物材料。分子印记技术在分离、药物分析、仿生传感等领域显示出广阔的应用前景。
　　本文开篇分别对仿生矿化和分子印记技术进行了综述。生物矿化即在生物体内形成矿物质的过程,往往能形成有序排列的、结构非常优异的天然有机-无机复合材料。有机模板对无机晶体的调制作用是生物矿化过程中的分子控制机理。近年来碳酸钙的体外研究进展已经逐渐将生物矿化的研究带入了仿生的机理模拟阶段。另一方面,分子印记技术是制备对某一特定目标分子具有特异选择性的聚合物的过程,主要包括功能单体的选择、聚合反应、印记分子的去除、后处理等步骤。主要有包埋法、表面分子印记两种制备方式。
　　首先,我们研究了碳酸钙的仿生矿化。多肽与双亲水性嵌段聚合物协同调控下,碳酸钙在空气/溶液界面上生成了高度有序的碳酸钙药片状颗粒阵列,且为球球霰石纯相。这些碳酸钙球霰石相药片状颗粒平行排列的结构类似于珍珠质层的形貌。进一步的研究表明,高分子量的多肽聚赖氨酸单独存在时,在空气/溶液界面上诱导生成纳米片螺旋状排列而成的盘状球霰石相碳酸钙颗粒。双亲水性嵌段共聚物聚乙烯乙二醇-block-聚甲基丙烯酸不能诱导碳酸钙在空气/溶液界面上结晶,而在水相中诱导形成了方解石相的碳酸钙微球。据此,我们得出结论,高分子量的聚天冬氨酸水溶性差,在反应体系的气液界面上形成了软生长基质,诱导碳酸钙在界面成核,且以面面平行的方式垂直于界面生长。同时,双亲水性嵌段共聚物聚乙烯乙二醇-block-聚甲基丙烯酸作为碳酸钙结晶的生长修饰剂和抑制剂,诱导形成有序药片状碳酸钙颗粒阵列。尽管药片状颗粒阵列的形成机制还不完全清楚,我们的研究表明生物体的精细自组装结构可以通过调控矿物的生长来化学合成。同时,我们所采用的简便合成方法也可以进一步用来制备复杂的生物矿物,有助于我们理解自然界和化学合成中复杂纳米矿化结构的形成机制。
　　其次,我们制备出了对模板蛋白质分子有较好识别结合能力的印记氧化硅薄膜。采用非共价吸附的方法先准备好蛋白质图章。氧化硅薄膜以溶胶-凝胶法制备。在氧化硅溶胶完全凝胶化前,将蛋白质图章平稳盖压到薄膜表面。待其完全凝胶化,即形成了蛋白质表面印记的氧化硅薄膜。洗脱印记分子的薄膜印记位点表征和结合实验表明,制得了对模板蛋白质有较好结合能力、选择性的薄膜。本研究采用表面分子印记,克服了传统印记方法印记大分子时,模板分子难以洗脱、生物分子变性的困难。本体系中,功能单体和蛋白质分子的带电情况对蛋白质与印记位点的结合有较大影响。我们的研究进一步证实了印记位点与模板分子间的再结合主要取决于空间结构的互补与功能基团间的相互作用;我们所采用的生物分子印记生物分子的方法也是进行生物大分子印记的新方向。
　　氧化硅材料具有刚性强、不易溶胀,结合位点的保持性好、容易进行后功能化修饰等优点,因此氧化硅材料特别适合用于制备具有专属性亲和力和分子结构选择性分子识别材料。DNA分子印记的氧化硅纳米管/纳米线研究中,我们主要利用带负电的DNA分子与氧化铝模板上所修饰氨基的静电吸附作用,诱导DNA在3-氨丙基三乙氧基硅烷修饰的氧化铝模板孔壁上组装。再采用表面分子印记策略,通过溶胶凝胶法在氧化铝模板纳米孔隙中沉积上氧化硅,合成出高质量的DNA印记氧化硅纳米管/纳米线阵列。该研究为发展能特异性识别DNA、纳米尺度的人工抗体提供了新的可能。

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缩略词表

第1章 绪论

1.1 无机材料的生物模拟矿化

1.2 分子印记技术

1.3 本文选题及主要研究内容

第2章 多肽和双亲水性嵌段共聚物协同调控下的碳酸钙仿生矿化

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 模板分子印记的氧化硅薄膜识别蛋白质

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 表面分子组装合成DNA分子印记氧化硅纳米管/纳米线阵列

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

参考文献

致谢

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