规整性仿细胞膜结构界面的制备及其与蛋白质相互作用的研究

The interactions between proteins and interfaces of biomedical materilas is the role problem to understand the bio-compatible mechanism of thses materilas. As far as we know, the research about the interaction between the biomaterials interfaces and proteins or other bio-macromolecules at single molecule level is very lack. In order to solve this problem, well-defined cell outer membrane mimetic interfaces and other interfaces will be fabricated by surface-initiated atom transfer radical polymerization(ATRP). The structure and morphology of the interfaces will be characterized by AFM, SEM. The protein (bovine serum albumin, BSA) will be attached to the AFM tips by chemical bonds. The interaction between BSA and different interfaces will be measured by force curve measured by atomic force microscope. The diffusion coefficients of BSA at different interfaces will be measured by single-molecule fluorescence methods. In this project, the interaction between BSA and different interfaces will be measured quantitively. Several factors, such as interface composition, thickness, charge, on the interaction will be investigated. A relationship between microscopic properties(diffusion coefficient, interaction force with interfaces) and macroscopic properties(adsorption amount) of protein will be established. This research will reveal the interaction law between the bio-compatible materials and bio-macromolecules at molecular level, and have important significance for understanding the nature of biocompatible, as well as for designing, preparation and processing of cell outer membrane mimetic materials.

蛋白质与生物医用材料界面的相互作用是研究该材料生物相容机理的核心问题。目前从单分子水平研究蛋白质与生物医用材料界面之间相互作用的工作非常缺乏。针对这一问题，本项目采用表面引发聚合的方法制备平整的仿细胞膜结构以及其它不同性质的界面体系，进而将蛋白质分子通过化学键固定于原子力针尖处，采用原子力力曲线方法测量蛋白质分子与上述不同界面的相互作用力；采用单分子荧光方法测量蛋白质分子在不同界面上的扩散系数，计算蛋白质分子与不同界面的摩擦力。本项目将定量测量蛋白质分子与不同性质界面体系的相互作用力，考察界面的组成、厚度、带电性质等对这一相互作用的影响，并建立蛋白质在界面上的微观行为（与界面相互作用力）与宏观性质（如吸附量，吸附牢固度等）之间的关联关系。这一研究将从分子水平揭示蛋白质分子与不同性质界面之间的相互作用规律，对于理解仿细胞膜结构材料生物相容性的本质，以及相关材料的设计、制备具有重要意义。

蛋白质与生物医用材料界面的相互作用是研究该材料生物相容机理的核心问题。本报告分别制备了不同亲疏水性的聚合物刷表面以及纳米颗粒作为模型界面，研究蛋白质与界面的相互作用以及蛋白在界面上的结构变化。这一研究对于揭示蛋白质分子与不同性质界面之间的相互作用规律，理解材料生物相容性的本质，以及相关材料的设计、制备具有重要意义。研究内容主要包括以下几个方面: .（1）制备了具有不同亲疏水性以及不同表面能的聚合物刷模型界面，利用QCM-D和SPR研究了聚合物刷的接枝过程和蛋白质在聚合物刷界面上的吸附行为，研究了亲疏水性、表面能等因素对于蛋白质吸附行为的影响。首次在线研究了蛋白质在聚合物刷界面的动态吸附过程。通过QCM-D监测耗散(△D)与频率(△f)的比值的改变，发现聚合物的接枝以及牛血清白蛋白(BSA)的吸附过程经历了不同阶段：在吸附过程中蛋白质发生了构象转变，从与界面相互作用较弱的天然构象状态转变为与界面具有很强相互作用的变性状态。SPR的实验结果证实蛋白质构象转变过程对应于其吸附状态从可逆到不可逆的转变。蛋白质在表面的吸附状态依赖于蛋白质与聚合物刷的相互作用的大小，结果表明强亲水的表面可以有效抑制蛋白质的吸附。通过QCM-D监测耗散(△D)与频率(△f)的比值的分析有助于分析蛋白质与界面的相互作用的强弱。.（2）提出了一种简单高效的制备生物相容性磁性纳米粒子的方法。设计合成了一系列2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱(MPC)与甲基丙烯酸(MAA)的共聚物P(MAA-co-MPC)。将所合成的聚合物作为一种新型稳定剂用于合成磁性纳米粒子，研究了共聚物的组成以及羧基与铁离子的比例对于磁性纳米粒子性能的影响。研究发现，纳米粒子的粒径可以通过改变羧基与铁离子的比例进行调控。所得的磁性粒子具有较好的稳定性。研究发现磁性纳米粒子的生物相容性与其聚合物的含量具有正相关，聚合物含量大于54%时具有优良的生物相容性。这种方法还可用于制备相容性纳米氧化钙、氧化锌等其它纳米材料。