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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
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