基于主客体相互作用构建生物材料功能表面

发布时间：2020-05-14 07:31

【摘要】：材料表面生物功能化是指在材料表面引入特定的化学物质或者生物分子,从而使表面能够实现或者促进某种特定生物功能。许多生物功能材料,如生物传感器、生物检测微流道芯片、组织工程材料以及体内植入材料等都需要经历表面功能化这一环节。传统的生物材料的表面功能化多数是基于化学共价方法。利用不同化学基团和生物分子特定位点间的共价结合,将生物分子通过共价键固定在表面,赋予基材表面不同的生物功能。但是共价功能化往往局限于特定的反应条件和类型,并且改性后的表面通常很难再生以及循环使用。随着超分子化学的发展,非共价主客体相互作用由于反应条件温和,分子间能够自组装,以及对外界环境产生响应等特点,使其在材料表面生物功能化的研究中受到关注。本论文的主要工作是提出了一种基于主客体相互作用实现材料表面生物功能化的方法,即利用修饰了多个生物配体的主体分子β-环糊精(β-CD-X7,CD-X(X为生物功能配体))与客体分子金刚烷(Ada)之间的主客体相互作用,将特定的生物配体引入到材料表面从而赋予表面特定的生物功能。具体研究内容包括以下两个方面:(1)结合层层组装技术与主客体相互作用制备具有特异性生物分子识别功能的材料表面这项工作结合两种非共价相互作用,实现了硅基材的表面生物功能化。首先,利用静电相互作用,将两种带有相反电荷的聚合物,聚阴离子聚(丙烯酸-co-丙烯酸金刚烷-1-丙烯酸酯)(P(AA-co-Ada))和聚阳离子聚烯丙胺(PAH),在硅表面进行交替组装得到具有一定厚度的多层膜。然后以多层膜中的Ada基团为锚点,通过主客体相互作用,引入生物素七取代β-环糊精(β-CD-(biotin)7,CD-B)。利用生物素与亲和素之间的亲和作用,赋予表面特异性结合avidin的能力。实验结果表明:该表面在识别目标蛋白质avidin的同时,能够排斥非特异性蛋白质的吸附。当改性后的表面置于复杂的生理溶液环境时,材料表面仍能保持对avidin的选择性结合能力。此外,结合avidin后的表面利用十二烷基磺酸钠(SDS)溶液处理,能够解离Ada和CD-B之间的主客体相互作用,从而使表面结合的CD-B连同avidin一同释放,以实现表面再生。“再生”后表面再次结合新的CD-B,并保持与之前表面相同程度识别avidin的能力。因此,这种生物材料表面功能化策略,有望用于生物传感器、生物芯片以及各类生物检测相关材料的表面改性中。(2)利用主客体相互作用制备生物功能化磁性纳米粒子这项工作利用主客体相互作用实现磁性纳米粒子的表面生物功能化。首先通过水热法合成了具有多孔结构的磁性四氧化三铁纳米粒子(MNP),然后利用溶胶-凝胶法(sol-gel)在MNP表面包裹一层二氧化硅(MNP@Si O2),在此基础上通过硅烷偶联剂的水解反应,在粒子表面引入了Ada基团(MNP@Si O2-Ada),最后通过主客体相互作用在粒子表面分别引入三种不同功能化的β-环糊精分子(CD-X),赋予粒子相应的生物功能。实验结果表明:引入了生物素七取代β-环糊精(β-CD-(biotin)7,CD-B)的纳米粒子能够特异性结合溶液中的avidin,同时具有在干扰环境中选择性识别目标蛋白质的能力;引入了甘露糖七取代β-环糊精(β-CD-(mannose)7,CD-M)的纳米粒子能够特异性结合凝集素刀豆蛋白A,同时可以通过其与细菌表面Fim H蛋白的特异性结合,实现对目标细菌大肠杆菌的捕获;引入了季铵盐七取代β-环糊精(β-CD-(QAS)7,CD-Q)的纳米粒子则具有了高效的杀菌能力。这种基于主客体相互作用的表面改性策略,在简化MNP表面改性过程的同时,高效赋予MNP相应的生物功能,有利于MNP在生物医学以及生物技术方面的应用。总之,本课题基于β-环糊精与金刚烷之间的主客体相互作用,构建了具有特定生物功能的材料表面。通过改变β-环糊精上修饰配体的种类,分别赋予了表面对应的生物功能。本研究成果为构建生物功能材料表面提供了新的策略,有望应用于生物检测设备以及纳米材料的表面生物功能化。
【图文】：

1-1 环糊精（CD）、葫芦脲（CB）和杯芳烃（CA）化学结构式以及空腔结构示意图[23]相比较共价相互作用，主客体相互作用能够在温和的环境中，通过分子间地自形成超分子结构，避免了共价化学中复杂的反应条件控制以及合成路线设计；同些主体大环分子良好的生物相容性以及生理环境稳定性，使得它们更加适用于生学领域方面的应用；并且，通过将生物活性分子以模块形式引入表面，增加了功过程的可控性和灵活性；另一方面，部分主客体包合物的结合过程处于动态可逆态，为刺激响应性材料的制备提供了可能。由于主客体相互作用具有以上独特的和特点，主客体体系被广泛用于药物运载、基因转染、医学成像以及光动力治疗多方面的研究中。[21, 23-25]

精/金刚烷之间的主客体相互作用构建生物材料功能表面 酸钠（）PSA）和杀菌功能的聚[2（-甲基丙烯酰氧）乙基]三甲基氯化铵（-CD 和 Ada 的结合，，将三种聚合物分别组装到基材表面。通过蛋白质浆凝固实验以及抗菌试验的测试表面，经过每一种聚合物功能化后的出它们对应的生物功能。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB306

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本文编号：2663030