陜西師范大學Adv. Mater.：仿生生物聚合物涂層的一步組裝用于粒子表面工程

【引言】

微/納米顆粒在諸如催化、傳感器、涂層、光電材料以及生物醫學等領域具有廣泛的應用價值。顆粒的表面物理化學性質被認為是決定其穩定性、生物活性和相容性的一個關鍵因素，因此粒子表面工程是材料設計和應用中的一個重要發展方向。目前，包括Stober涂層、層層吸附和接枝聚合策略等在內的多種表面功能化方法已經成功開發出來，然而能夠低成本、一步實現在水相中對具有不同化學組成、尺寸、形狀和結構的粒子的表面功能化研究還鮮有報道。

【成果簡介】

近日，陜西師范大學楊鵬教授發展了一種簡便、快速的水相中構筑粒子表面涂層的方法，利用淀粉樣蛋白溶菌酶的超快速組裝實現了多種粒子表面上粘附穩定、生物相容的納米涂層構筑，而且涂層的組成、尺寸、形狀和結構能夠進行調節。該方法制備得到的涂層不僅可以具有優異的界面粘附穩定性，涂層表面的多種官能團還能實現表面的進一步化學修飾和衍生。研究表明，純蛋白涂層不會破壞細胞的生物活性，并且能夠實現對活細胞的保護、表面功能化和固定等功能化應用。該成果以題為"One-Step Assembly of a Biomimetic Biopolymer Coating for Particle Surface Engineering"發表在Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1 微/納米顆粒上一步水相構筑相轉變溶菌酶(phase-transited lysozyme, PTL) 涂層及其功能化示意圖

圖2 微/納米顆粒上PTL涂層的制備和表征

(A) 顆粒上構筑PTL涂層的過程示意圖；

(B) Polystyrene (PS) 微/納米顆粒（左圖）及其涂覆PTL涂層（右圖）后的SEM圖像；

(C) SiO₂微/納米顆粒的SEM圖像；

(D) 100納米SiO₂顆粒（左圖）及其涂覆PTL涂層（右圖）后的DLS曲線；

(E) 200納米PS顆粒（左圖）和100納米SiO₂顆粒在涂覆PTL涂層前后ThT染色的熒光曲線；

(F) PTL涂覆10微米PS顆粒（左圖）和2微米SiO₂顆粒在ThT染色后的熒光顯微鏡圖像；

(G) 有無PTL涂層的1.5微米PS顆粒和100納米SiO₂顆粒在剛果紅染色后的圖片；

(H) PTL涂覆100納米SiO₂顆粒的FTIR表征及其相應的酰胺I和II區域的分峰分析。

圖3 PTL涂覆微/納米顆粒的表面功能化

(A) 通過表面引發的ATRP接枝在PTL涂覆SiO₂顆粒上構筑抗菌PDMC聚合物刷的示意圖及SEM圖像(i)和對S. aureus的殺菌率(ii)；

(B) PTL涂覆CaCO₃顆粒調制的羥基磷灰石仿生界面生長示意圖及相應的SEM圖像和粒子的EDX結果；

(C) PTL涂覆微/納米顆粒上Pd催化的無電金屬沉積示意圖及去除PTL模板獲得金屬膠囊的表征；

(D) 通過去除CaCO₃模板獲得PTL膠囊的示意圖及表征。

圖4 PTL涂層包裹活細胞實現對其的保護、表面功能化和固定

(A) 裸酵母細胞的SEM圖像顯示由于SEM制樣過程而導致的細胞變形、縮小（左圖）和PTL包覆酵母細胞的SEM圖像顯示其接近原始狀態的完整形態；

(B) 酵母細胞在不同緩沖液中的增殖活性實驗結果；

(C) PTL包覆酵母細胞的示意圖及對酶消化的抵抗（左圖）和有無PTL涂層時酵母細胞的存活能力對比（在消化酶溶液中）（右圖）；

(D) 酵母消化酶在PTL薄膜中的滲透實驗；

(E) 在酵母代謝葡萄糖之前（左圖）和之后（右圖），固定在平面基材上的酵母細胞層的SEM和光學（插圖）圖片；

(F) 固定化酵母層的重復代謝活性測試結果；

(G) 通過表面引發ATRP接枝在PTL包覆酵母細胞上構筑聚合物刷的示意圖；

(H) PEGMC聚合物刷在酵母細胞上生長的SEM圖像。

【小結】

本文中開發了一種淀粉樣蛋白組裝介導的表面修飾方法，可以實現在金屬顆粒、無機顆粒以及聚合物顆粒上的簡便、快速、低成本的表面涂層構筑，同時還可以提供豐富的表面反應位點來進行化學修飾和衍生化。該方法能夠拓展至制備Janus粒子和中空金屬或蛋白質膠囊，以及活細胞。蛋白涂層的引入還使得細胞能夠牢固地固定在基底上，并較容易的在細胞表面上進一步實現功能化。因此，基于蛋白組裝的顆粒和膠體表面工程有望在生物醫學、細胞非遺傳工程、環境保護以及催化等多個領域展現出應用前景。

文獻鏈接：One-Step Assembly of a Biomimetic Biopolymer Coating for Particle Surface Engineering?(Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201802851)

【團隊介紹】

陜西師范大學化學化工學院楊鵬課題組組建于2012年底，隸屬于應用表面與膠體化學教育部重點實驗室。主要致力于基于蛋白質類淀粉樣組裝的多功能仿生界面材料基礎和應用研究。經過六年的努力，已取得了一定的系統性研究成果，已在Macromol. Biosci. (2012, 12, 1053)、Chem. Rev. (2013, 113, 5547)、Adv. Mater. (2016, 28, 579, VIP paper)、Adv. Mater. (2016, 28, 7414, Frontispiece)、Angew. Chem. Int. Ed. (2017, 56, 9331, Hot paper)、Angew. Chem. Int. Ed (2017, 56, 13440)、Adv. Funct. Mater. (2018, 28, 1704476) 、Adv. Mater. (2018, 1802851)等權威期刊發表綜述和研究論文二十余篇。

在該領域的工作匯總： 相轉變溶菌酶（phase-transited lysozyme，PTL）最早由楊鵬課題組于2016年提出（Adv. Mater. 2016, 28, 7414），是一類區別于傳統淀粉樣蛋白質積聚的新的類淀粉樣蛋白質組裝體系。其特點在于組裝條件溫和可控、速度快、材料和過程成本極大降低。目前此體系至少包括兩種新穎結構即纖維網絡和納米薄膜，均可在各類宏觀材料表界面實現穩定粘附和改性。該體系不僅適用于溶菌酶，而且可拓展到其他蛋白質中，如牛血清白蛋白 (BSA)、α-乳白蛋白 (α-Lactalbumin)、胰島素 (insulin)等(Biomater. Sci. 2018, 6, 836）。其能發生此類組裝的共性規律是其蛋白質一級結構中存在能發生淀粉樣積聚的高纖維化可能性序列結構，同時其二級結構中大量存在由分子內二硫鍵鎖凍結的α-螺旋結構。在此分子基礎之上，加入高效二硫鍵還原劑Tris(2-carboxyethyl)phosphine (TCEP)可快速打開分子內二硫鍵而解鎖α-螺旋結構，誘導其向更加低能量的β-sheet自發轉變而形成類淀粉樣組裝體（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 13440; Biomater. Sci. 2018, 6, 836）。PTL材料與各種材料表界面通過一種多位點粘附機理而實現穩定的界面粘附（Colloid Interface Sci. Commun. 2018, 22, 42）。在以上這些研究基礎之上，PTL材料展示了在生物醫用表界面（如蛋白質固定、抗菌和生物礦化等）和材料表界面改性等基礎領域的應用前景（Adv. Mater. 2016, 28, 579; Adv. Funct. Mater. 2018, 28,?1704476; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 9331; Macromol. Biosci. 2012, 12, 1053）。

本文由材料人生物學術組biotech供稿，材料牛審核整理。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu。?