仿生构建高稳定性的超强抗污染表面

自然界中存在许多高效的抗污染表面，小到细胞膜，大到荷叶层，保护着生物体免受污染物的侵扰。基于这些生物表面结构的启发，人们设计了一系列涂层材料，并广泛应用于水油分离、药物递送、植入医疗设备等领域。润滑素蛋白（lubricin）是哺乳动物关节滑液的重要分子，具有独特的三嵌段分子结构（两端疏水带正电，中间为高度负电的粘蛋白），具有优良的促润滑、抗吸附的能力，可有效避免关节部位因摩擦磨损及污染引发的炎症，为关节正常运转提供有利保障。

图1：润滑素蛋白分子结构示意图

受到润滑素蛋白的结构启发，天津大学化工学院苏荣欣教授（点击查看介绍）课题组与卡耐基梅隆大学Krzysztof Matyjaszewski教授（点击查看介绍）、蒙特利尔大学Xavier Banquy教授（点击查看介绍）合作，设计采用3种仿润滑素蛋白的嵌段式瓶刷状聚合物构建了高稳定性的超强抗污染表面。这些仿生瓶刷状聚合物以两性离子（2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine）为聚合物刷的主体，以季铵化2-（二甲基氨基乙基）甲基丙烯酸酯为锚定端，通过静电作用、氢键等作用力，可快速、稳定固定在基底表面，形成有效的瓶刷环状结构。其中，磷酸胆碱的电中性特点有效弥补了润滑素蛋白中间区域（高负电粘蛋白）在静电吸附、结构稳定性方面的不足，在多种蛋白体系及实际样品体系，都表现出超强的抗污染性能。经测试发现，仿生瓶刷状聚合物表面对于球蛋白的吸附量低于0.2 ng/cm²，仅为润滑素蛋白表面的1/50，对模拟胃液、橙汁、牛奶等复杂体系几乎无吸附，具有极强的抗污染能力。

图2：仿润滑素蛋白的瓶刷状聚合物

图3：瓶刷状聚合物表面抗污染测试结果

值得一提的是，这些仿生聚合物仅需简单滴浸或者流经的方式，十分钟之内即可完成基底修饰，对基底要求很低，稳定性强。该聚合物表面在高盐溶液以及较广的pH范围（2-8.5）内保持稳定；利用表面力仪分析发现，在高压条件下仍具有良好的稳定性。因此，该聚合物既具有graft-to修饰的便捷优势，又具有graft-from修饰的稳定性。这些仿生瓶刷状聚合物有望应用于棱镜、光纤传感以及植入性医疗器件的抗污染保护。

图4：基于表面力仪分析聚合物表面与蛋白质的作用力

相关工作已发表在Angew. Chem. Int. Ed.，并遴选为Frontispiece。论文第一单位为天津大学化工学院，第一作者为天津大学化工学院博士生夏寅强和蒙特利尔大学博士后Vahid Adibnia。

该论文作者为：Yinqiang Xia†, Vahid Adibnia†, Renliang Huang, Frederic Murschel, Jimmy Faivre, Guojun Xie, Mateusz Olszewski, Gregory De Crescenzo, Wei Qi, Zhimin He, Rongxin Su*, Krzysztof Matyjaszewski*, Xavier Banquy*

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Biomimetic BottleBrush Polymer Coatings for Fabrication of UltraLow Fouling Surfaces

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58: 1308-1314, DOI: 10.1002/anie.201808987

导师介绍

苏荣欣

https://www.x-mol.com/university/faculty/13204

Krzysztof Matyjaszewski

https://www.x-mol.com/university/faculty/529

Xavier Banquy

https://www.x-mol.com/university/faculty/50366