阿尔伯塔大学曾宏波院士团队用改性蛋白制备防污涂层，抵抗流体中的微生物污染

目前，植入式医疗器械已被广泛地应用于诊断、治疗、器官修复等生物医学领域。但是，这些植入式医疗器械表面经常经受不可逆的生物污染。

具体来讲，污染物包括蛋白质、酶和代谢物等。在植入式医疗器械长期工作期间，生物污染物将不可逆转地粘附在其工作表面，并逐渐改变这些器械的电化学和生物学特性，导致不可预测的设备功能障碍和严重感染。

为解决植入式医疗器械的生物污染问题，加拿大阿尔伯塔大学院士团队运用点击化学原理，开发出两性离子改性蛋白。

该团队通过将磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯（SBMA，Sulfobetaine Methacrylate）片段嫁接到天然牛血清白蛋白（BSA，Bovine Serum Albumin）分子上，制造出可用于复杂生物流体表面的防污涂层。

近日，相关论文以《在复杂生物流体中增强抗生物污染的仿生工程蛋白涂层》（）为题，发表在 Advanced Materials 上[1]。

阿尔伯塔大学化学与材料工程系赵子谦博士为该论文的第一作者，阿尔伯塔大学化学与材料工程系院士为论文的通讯作者。

（来源：Advanced Materials）

制备改性蛋白防污涂层

对蛋白质基材料的最新研究结果表明，某些蛋白质可能同时具有表面锚定能力和防污性能。

但是，这些蛋白质材料在应用过程中具有内在的局限性，即在复杂环境下，无法保持可靠高效的防污性能。

举例来说，在手术后或身体不健康等条件下，高盐度和 pH 值的变化都会影响到天然牛血清白蛋白涂层表面的电荷性质，导致其防污功能失效。

图 | 工程蛋白涂层的制备（来源：Advanced Materials）

两性离子是比较常见且生物相容性较好的防污材料。因此，研究者将两性离子和蛋白质结合，制备出防污性能更佳的改性蛋白 BSA@PSBMA 涂层，解决了上述问题。

据了解，两性离子改性蛋白 BSA@PSBMA 可以通过简单浸渍或喷涂方法，在各种基底上形成涂层。

赵子谦对防污涂层改性蛋白 BSA@PSBMA 的制备过程进行了详细的介绍：“我们让 BSA 蛋白中的还原巯基引发点击化学反应，连接两性离子，以及合成新的改性蛋白。”

在此过程中，研究者将两性离子 SBMA 片段通过巯基-烯键化学法接枝在天然牛血清白蛋白分子上，合成两性离子改性蛋白 BSA@PSBMA，以增强蛋白质涂层表面的理化稳 定性，从而增强其在复杂生物环境中的防污性能。

之所以选择 SBMA 制备改性蛋白是因为它是一种典型的两性离子，具有比商用聚乙二醇材料更坚固的水合层，抵抗生物污染的能力更强。此外，两性离子通常对水的 pH 值和盐度变化不敏感。

总之，BSA@PSBMA 蛋白的仿生设计将天然 BSA 蛋白在不同表面的锚定功能和人工引入 SBMA 的强水合层功能相结合。

在使用的过程中，合成的两性离子改性蛋白 BSA@PSBMA 材料可以通过一步浸渍或喷涂的方法，方便而均匀地涂覆在各种基材上，包括金属、矿物和塑料，而不需要表面预处理。

此外，制备出的 BSA@PSBMA 涂层表现出对污染物非常弱的吸引力和对蛋白质、酶、代谢物、细胞和生物流体的超强抗性，并且在不同 pH 和盐度条件下的性能都十分可靠。

参数的优化与改性蛋白制备原理

赵子谦说：“在实验计划具体的实施过程中，我们克服了许多困难，其中最主要的挑战就是参数的确定。”

在还原双硫键的过程中，需要引发更多的反应。什么时间还原？会不会引发蛋白质的变性？化合物的添加量是多少？以及自由基和碳碳双键的配比。这些都是该团队在合成过程中需要考虑的具体问题。

在硼氢化钠与 BSA 的还原反应过程中，研究者进行了具体参数的优化。比如，控制硼氢化钠的浓度、反应时间，以及 BSA 的浓度等关键控制点的参数。

赵子谦说：“关于参数我们在本篇文章中只提及了一部分，更具体的方法将在下一篇论文中进行更加全面的说明。”

论文中还提及了制备改性蛋白的原理。具体来讲，天然 BSA 蛋白在溶液 pH 值发生变化或在盐溶液中，它的静电相互作用和疏水力就会明显增大，从而吸附其它物质，造成生物污染。

这两种力的增大都是由于蛋白质涂层表面的水合层结合力非常弱。因此，研究者通过引入水合力更强的两性离子改变这种情况。

总而言之，防污机理就是从分子层面了解表界面相互作用力，从而有针对性的减弱它的吸引力，增强排斥力。

改性蛋白的防污性能检测

生物防污测试主要包括两种，一种是体外测试，另一种是体内测试。体内测试是将防污改性材料植入到体内，过一段时间观察污染物的附着情况，以及它的生物相容性。

“而体外测试更容易控制，我们将涂层改性材料浸入到体液环境之中，过一段时间观察表面污染物附着量与附着面积。”赵子谦说。

论文中提及的界面分子力和吸附测试表明，由于 BSA@PSBMA 仿生结构的强界面水合作用和空间排斥作用，基材污物吸引力被显著抑制，使涂层表面在各种生物条件下对包括蛋白质、代谢物、细胞和生物流体在内的广泛物种表现出优异的耐生物污物性。

在对改性蛋白的防污性能进行的宏观测试过程中，被测表面会经历更复杂的化学和生物过程，如生物膜形成和微生物在表面定植。这些过程主要造成设备不可逆的功能障碍，和相关的医疗感染。

研究者在实验过程中将裸露的底物表面和涂有天然 BSA 和两性离子改性蛋白 BSA@PSBMA 的表面在 37℃ 的代表性生物液中培育 48 小时。这些生物液包括牛奶、菜籽油、中国仓鼠卵巢细胞营养混合物和胎牛血清。

图 | 大块污垢试验中涂层的防污性能（来源：Advanced Materials）

所有测试表面都用超纯水冲洗，然后用光学-光热红外技术进行表征。这是一种非接触式表征技术，将可见光激光与红外激光耦合，根据其特征红外峰精确定位污垢。

表征结果显示，除脂类以外的所有裸露底物表面都附着了大量的污垢。天然 BSA 蛋白涂层表面的污垢较少，两性离子改性蛋白 BSA@PSBMA 涂层表面的污垢量几乎为零。

图 | 不同 pH、盐度环境下涂层防污性能（来源：Advanced Materials）

在不同 pH、盐度环境下对防污涂层性能进行测试的过程中，BSA@PSBMA 表面对胎牛血清中 99.9% 以上的生物大分子吸附表现出高效的抗性，其防污能力是天然 BSA 涂层表面的 10 倍以上。

论文中还提到，BSA@PSBMA 涂层更加倾向于应用在生物医药技术方面。除了植入器件（导尿管，人造血管，人造膝盖，人造器官等）表面需要防污涂层，在生物检测领域也有非常广泛的应用。

比如，检测蛋白质或者核酸片段等生物传感器表面的污染物，检测环境传感器表面的污染物含量等，都需要防污蛋白涂层降低非特异性吸附。

在药物传输、靶向治疗和靶向检测方面，蛋白防污涂层也有潜在的应用。比如，与识别蛋白共同种植在特效药表面或者纳米粒子表面，降低干扰，提高识别蛋白的识别能力，达到更好的靶向效果。综合看来，这项研究提供了一种改性蛋白防污的创新范式。

参考资料：
1.Ziqian Zhao, Mingfei Pan, Chenyu Qiao, Li Xiang, Xiong Liu, Wenshuai Yang, Xing-Zhen Chen, Hongbo Zeng.Bionic engineered protein coating boosting anti-biofouling in complex biological fluids, Advanced Materials（2022）, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202208824