双亲性V型聚合物刷抗蛋白质吸附性能及其机理研究

发布时间：2018-11-12 18:54

【摘要】：蛋白质在材料表面吸附会引起细菌、细胞和微生物等沉积,在材料表面形成生物膜,诱发严重的生物污染,影响材料使用寿命及效率。控制材料表面与蛋白质的相互作用,抑制蛋白质的吸附有着重要的实际意义。由于蛋白质分子具有双亲性,其与亲水或者疏水基团都具有一定的亲和力,因而单一的亲水或者疏水表面并不具备最佳的抗蛋白质吸附性能。双亲性表面同时存在亲/疏水基团,能够产生协同作用,更大程度弱化蛋白质与表面的相互作用力,很大程度上降低蛋白质的吸附能力。由于双亲性表面的亲/疏水组分不相容,会产生微相分离。近年来,诸多研究工作指出双亲性聚合物表面的微相结构很大程度上影响蛋白质在表面的吸附行为。然而,目前尚未有系统地对表面相区结构与蛋白质分子之间的相互作用机理做出充分地阐明。本文则以抗蛋白质性能优异的mPEG110作为亲水链段,以具有污染释放性能的氟化聚合物(PMMAn-PFMA5)作为疏水链段,并通过“Grafting to”方法制备具有mPEG110臂与PMMAn-PFMA5臂且两臂高度不相容的双亲性V型聚合物刷体系。同时,可以改变亲/疏水组分比例进而调控聚合物刷结构,并系统研究了双亲分相聚合物刷表面抗蛋白质吸附性能及其机理。此外,为了对抗蛋白质吸附机理进行验证,构筑并研究具有mPEG臂与PS臂的双亲性V型聚合物刷体系的蛋白质吸附行为。本文主要结论如下:(1)研究了双亲性V型聚合刷(mPEG110-V-PMMAn-PFMA5)表面结构。发现亲水臂(PEG110)臂长不变的情况下,随着疏水臂(PMMAn-PFMA5)变长,有利于促进氟化组分(PFMA)在表面富集,使表面的含氟组分增大。当PMMAn-PFMA5臂中PMMA聚合度(n)小于64时,氟化组分排列较为无序;当PMMA聚合度(n)大于64时,V型聚合物刷的含氟组分在表面形成垂直排列的结晶相。同时,对V型聚合物刷表面相分离结构进行研究,发现随着PMMAn-PFMA5臂的变长,V型聚合物刷表面的相分离程度变大。当PMMAn-PFMA5臂中PMMA聚合度(n)为82和109时,V型聚合物刷表面的微相结构最为有序,呈现出亲/疏水相区交替排布。V型聚合物刷(mPEG110-V-PMMA82-PFMA5)表面相区尺寸为27 nm;而V型聚合物刷(mPEG110-V-PMMA109-PFMA5)表面相区尺寸为81 nm。(2)研究了蛋白质在双亲性V型聚合刷(mPEG110-V-PMMAn-PFMA5)的吸附行为。发现所有的V型聚合物刷的抗蛋白质吸附性能都优于纯的PEG分子刷。同时,V型聚合物刷表面的蛋白质吸附量先随着PMMAn-PFMA5臂长增大而减小,然后再随着PMMAn-PFMA5臂长增大而增大,存在最低值。牛血清蛋白质(BSA)在PMMA聚合度(n)为82的V型聚合物刷表面上吸附量最低。人体纤维蛋白原(HFg)则在PMMA聚合度(n)为109的V型聚合物刷表面上吸附量最低。结合V型分子刷表面的微相结构发现,BSA(尺寸为14 nm)在相区尺寸为27 nm的分子刷上吸附量最低,而HFg(尺寸为46 nm)却是在相区尺寸为81 nm的分子刷表面吸附量最低,即相区为亲/疏水组分交替排布且尺寸为2倍蛋白质大小的V型聚合刷表面具有最优异的抗蛋白质吸附性能。(3)基于上面的研究结果,对双亲性V型聚合刷(mPEG110-V-PMMAn-PFMA5)抗蛋白质吸附的机理进行了研究。蛋白质的吸附量与蛋白质在聚合物刷表面的粘附力和摩擦力成线性关系,随着粘附力和摩擦力的降低而降低。其原因可能是由于PEG链段在水中具有高度柔顺性,当蛋白质接近亲水链段(PEG)时,会压缩亲水链段,使体系的熵降低(△S0)。而低表面能的疏水组分(PFMA)与蛋白质相互作用弱,当蛋白质与疏水组分接触时,使体系的焓值增加(△H0)。因此,蛋白质在其表面吸附是不可自发的过程,即△G0。当双亲V型聚合物刷表面形成亲疏水相区交替有序排列的结构时,在水相中,结晶的疏水相区能够防止相区结构遭到破坏,亲水组分(PEG)在水相中链段呈舒展状态并向表面迁移,形成亲疏水组分交替表面,提高表面亲疏水组分之间的协同作用,弱化蛋白质与V型聚合物刷表面的相互作用。其次,相区尺寸是蛋白质分子大小约为2倍的双亲性表面,可以最大程度上发挥亲疏水链段的协同作用,扰乱蛋白质与表面相互作用,使其无法在聚合物刷表面吸附。(4)研究了双亲性V型聚合物刷(mPEGx-V-PSy)的表面结构及其抗蛋白质吸附性能。同样发现具有亲疏水组分交替有序排列微相结构的V型聚合物刷表现出优异的抗蛋白质吸附性能。当相区尺寸为蛋白质尺寸的2倍时,其表面具有最优的抗蛋白质吸附性能。蛋白质的吸附量与蛋白质在聚合物刷表面的粘附力和摩擦力也是成线性关系,随着粘附力和摩擦力的降低而降低,进一步验证了双亲性分相聚合物刷抗蛋白质吸附机理。
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【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O631;O647.3

【参考文献】