纳米纤维表面蛋白质多维纳米结构的构筑及形成机理研究

The formation of multi-dimensional nanostructure protein on the substrate surface is important for improving the efficiency and activity of protein based biomaterials. Based on the previous studies on the fabrication of polymer nanofibers by immisicible polymer blends, the three-dimensional nanofiber materials with different physical structure were prepared by control the nanofiber diameter, arrangement, porosity and pore size distribution. The nanofiber surface was functionalized with different groups by the chemical modification to realize the stability, durable and effective immobilize of protein. The interaction between nanofiber surface and protein was analyzed. The effect of physical and chemical structure of nanofiber surface and reaction conditions on the structure of protein was elucidated and based on this the influencing mechanism of protein structure was build up. To clarify the formation mechanism of the multi-dimensional protein morphology, the morphology evolution of protein on the nanofiber surface during the whole process was studied by stages and the kinetic behaviour of protein macromolecule on different nanofiber surface and reaction conditions was analyzed. Based on this, a theoretical model between nanofiber surface and protein macromolecule assemble behaviour was constructed to realize the effectively control of the multi-dimensional nanostructure protein. All of the work provided a novel approach to prepare protein based biomaterials.

基体表面蛋白质多维纳米结构的构筑对于提高蛋白质基生物材料的有效性及灵敏性具有重要意义。本项目以前期研究的不相容共混体系熔融挤出相分离法纳米纤维制备技术为基础，通过控制纳米纤维的尺寸、排列状态、孔隙率及孔径分布设计了具有不同物理结构的三维纳米纤维材料，通过化学改性的方法在纳米纤维材料表面引进不同的功能基团，实现纳米纤维表面所固定蛋白质的有效性、稳定性及持久性。深入探索纳米纤维表面与蛋白质大分子的相互作用机理，阐明纳米纤维表面物理、化学结构以及反应条件对蛋白质形态结构的影响规律，建立蛋白质多维纳米结构的影响机制。分阶段探索整个动力学过程中蛋白质的形态演化过程，研究纳米纤维表面蛋白质大分子的聚集组装动力学，揭示蛋白质多维纳米结构的形成机理，建立表面结构与蛋白质聚集组装的理论模型，实现对纳米纤维表面蛋白质多维纳米结构的有效调控，为蛋白质基生物材料的设计开发提供新思路。

本项目按照原定计划开展，已经完成了预期目标并形成了相应的研究成果。通过不相容共混体系熔融挤出相分离法制备了表面富含羟基的纳米纤维，研究了粘弹性、组分比、拉伸比、剪切速率对纳米纤维形态尺寸的影响；通过控制纳米纤维的排列状态、孔隙率及纳米纤维的分散状态制备了具有不同物理结构的三维纳米纤维材料；通过化学改性的方法在纳米纤维材料表面引进不同的功能基团，实现了表面物理及化学结构可控的三维聚合物纳米纤维膜材料的构筑。.利用金属离子与磷酸盐及蛋白质大分子之间的相互作用在纳米纤维膜表面成功构筑了具有三维结构的无机-蛋白质复合纳米花。通过调控基体表面结构、蛋白质浓度、蛋白质种类、磷酸盐缓冲溶液浓度、pH值、反应时间，实现了对纳米纤维膜表面无机-蛋白质复合纳米花形态结构的调控。深入研究了纳米纤维表面Cu2+与蛋白质及磷酸盐之间的相互作用，分析了无机-蛋白质复合纳米花的成分及结构，并与溶液中所形成的无机-蛋白质复合纳米花对比，揭示了纳米纤维膜表面无机-蛋白质复合纳米花的成形机理。.为了研究了纳米纤维表面无机-蛋白质纳米花的活性及稳定性，将表面固定无机-HRP复合纳米花的纳米纤维膜置于不同浓度的双氧水与愈创木酚混液中，测试其对对双氧水检测的灵敏性，并将其与游离酶进行了对比。结果表明，固定化后的复合纳米花具有较好的催化活性，而且其稳定性和pH值适用范围更宽。此外，利用漆酶的氧化性，我们将表面带有无机-漆酶复合纳米花的纳米纤维膜应用于染料脱色，也表现出来了较好的脱色效果。.最后，我们利用胺改性的PVA-co-PE 纳米纤维膜实现了对胆红素的吸附。然后将镍离子和亚铁离子分别固定在纳米纤维膜表面，实现了其对血红蛋白和木瓜蛋白酶的吸附，研究了影响吸附的各种条件以及吸附动力学。.本项目执行过程中，共发表学术论文11篇，其中SCI收录8篇，EI收录1篇，会议论文2篇；授权发明专利1项。参加国内外学术会议3次，培养了博士研究生1名，硕士生4名。完成了项目预期成果。