聚合物配基接枝表面蛋白质吸附和传质行为的微观解析

Aiming at the theoretical development of protein adsorption and technological innovation of protein chromatography, this research will be devoted to the complex scientific issues of protein adsorption processes on polymeric ligand-grafted surfaces. First of all, a microscopic method to directly visualize protein adsorption and transport in bare capillaries modified with adsorptive ligands of proteins will be established, which should completely eliminate the effects of complex nanosized structures in hydrogel-based adsorbents used in traditional methods on polymer chain extension, interactions of polymer chains and the binding of protein to the chains, leading to the implementation of microscopic quantification of protein adsorption and transport. Based on the microscopic analysis, a method for reliable protein adsorption equilibrium model and its parameter determination procedure will be built up, which is the key to the microscopic quantification of protein adsorption and transport on polymeric ligand-grated surfaces. Then, various factors affecting protein adsorption and transport will be investigated in detail, including polymer chain structure (linear or branched), ligand structure (charge property and hydrophobicity) and so on. Finally, molecular models for the grafted surfaces (including polymer chain structure, ligand structure and surface density) and multiscale protein adsorption-transport models will be constructed to elucidate the molecular behavior of protein adsorption and transport on the grafted surfaces and the modulating mechanism of solvent environment. The research outcome will be of great significance in the rational design of polymeric ligands as well as the development of high-performance protein chromatography.

以发展蛋白质吸附理论和创新层析分离技术为目标，研究表面接枝聚合物配基吸附蛋白质过程的复杂性科学问题。首先构建以毛细管内表面蛋白质吸附和显微检测为主体的新型研究方法，以彻底消除传统方法中纳孔凝胶复杂结构对接枝链伸展、链间相互作用以及接枝链与蛋白质相互作用的影响，实现对蛋白质吸附-传质的微观定量；基于微观检测分析，建立毛细管内准确的蛋白质吸附平衡模型及其参数确定方法，在微观水平上定量分析接枝表面蛋白质吸附和分子传递；研究毛细管内表面接枝聚合物配基的蛋白质吸附-传质行为，揭示聚合物链结构（分支/线性）和配基结构（荷电性质和疏水性）等重要参数的影响规律；建立包括聚合物链结构、配基结构和表面密度等参数在内的接枝表面模型和蛋白质吸附-传递过程的多尺度模型，在分子水平上解析蛋白质吸附-传质行为和溶液环境的调控机制。研究成果对接枝聚合物配基理性设计和高效蛋白质层析技术发展具有重要理论意义。

高效离子交换层析（IEC）是蛋白质分离纯化的核心技术之一，其中聚合物接枝型离子交换介质不仅可提供高吸附容量，而且具有快速吸附传质的特性，满足高速层析过程高容量吸附分离的要求，因此受到产学界的普遍关注。但有关接枝链IEC配基促进蛋白质吸附传质的机理尚存在争议。因此，本项目以发展蛋白质吸附-传质理论和创新层析分离技术为目标，研究表面接枝聚合物配基吸附和传递蛋白质过程的复杂性科学问题。根据研究计划和近年的学术发展，本项目聚焦聚合物配基接枝介质的设计开发和蛋白质吸附-传质行为解析。首先，在介质设计开发方面，开发了5种不同类型的接枝型IEC介质，包括4种基于新型单体的接枝介质和一种通过聚合物修饰制备的新型介质。4种新型单体接枝介质均表现出高效蛋白质吸附性能，其适用的盐浓度范围有一定差别；通过电荷反转不仅可扩展IEC介质的应用范围，还可显著提高蛋白质的吸附传质性能。两种不同的反转和减电荷修饰结果表明，修饰路径对聚合物链结构和柔性有显著影响，从而显著改变聚合物链对吸附蛋白质的链传递行为，减电荷后再反转修饰是获得高效接枝介质的有效途径；第二，建立了蛋白质吸附-传质动态行为的微观观测方法和吸附-传质模型，在微观尺度上解析了接枝聚合物配基吸附蛋白质的传质行为；第三，通过对聚合物分子量和接枝密度对蛋白质吸附平衡和动力学影响、表面小分子配基对聚合物配基在吸附蛋白质链传递中的贡献分析，以及配基接枝密度和链长对蛋白质吸附行为的影响研究，深化了对蛋白质在聚合物接枝介质中吸附传质机理的理解。本项目研究为聚合物接枝IEC介质的设计开发和优化提供了重要理论和方法支持。