具有纳米级可控微区结构/化学的材料表面对蛋白质吸附的调控

Protein adsorption on the material surfaces is the first physiological process when materials interact with biological environment, and the type and amount of adsorbed proteins will influence the subsequent interactions of materials with organisms and determine the ultimate biofunctionality of a given material. In this project, we intend to carry out study on regulation of protein adsorption on surfaces containing microdomains with controllable structure and chemistry in nanoscale. Based on the unique topology structure and temperature-responsive conformational change of cyclic poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm), we modulate the surface coverage of cyclic-PNIPAAm by changing the temperature to achieve a surface containing microdomains with controllable size in nanoscale. Furthermore, we build a series of binary complex surfaces containing microdomains with controllable chemistry by mixed assembly of cyclic-PNIPAAm and small molecules with various chemical properties under different temperature. We will systematically investigate adsorption of different model proteins on the binary complex surfaces under different temperatures, and try to establish a theoretical model of the effects of microdomain properties on the protein adsorption. The target of this project is to simulate biological phenomena on biointerfaces and to reveal the relationship between surface properties and specific protein adsorption. We expect that this project can provide both experimental evidence and theoretical guidance for the design and develop functional surfaces to regulation protein adsorption, which has important theoretical and practical value.

蛋白质在材料表面的吸附是材料与生物环境相接触时首先发生的生理过程，吸附蛋白质的种类和数量会影响到后续材料与生物体之间的相互作用并最终决定材料的生物功能性。在本项目中我们拟开展关于具有纳米级可控微区结构/化学的表面对蛋白质吸附的调控的研究。利用环状聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）独特的拓扑结构及其具有温度敏感性构象变化这一特性，通过温度控制环状PNIPAAm在表面的覆盖率形成尺寸可控的纳米级微区，并通过混合组装具有不同化学性质的小分子，构建出微区化学组成可控的二元复合表面。系统考察在不同温度下二元复合表面对模型蛋白质的吸附情况，通过分析尝试建立表面微区性质对蛋白质吸附影响的理论模型，进而达到模拟生物表界面现象并揭示材料对蛋白质特异性识别与其表面性质的关系和规律的目的。该研究能够为设计具有特定功能表面进而实现对蛋白质吸附的调控提供基础研究结果，具有重要的理论意义和实用价值。

蛋白质在材料表面的吸附是材料与生物环境相接触时首先发生的生理过程，吸附蛋白质的种类和数量会影响后续材料与生物体之间的相互作用以及材料最终的生物学功能。由于蛋白质是具有纳米级尺寸的分子且表面亲疏水基团、带电基团分布不同，而真实的生物体表面一般都具有特殊的微纳米级拓扑结构且化学组成不均一，因此系统研究纳米级尺寸微区的化学性质和拓扑结构对生物材料表面吸附蛋白质的影响，能够更加真实地模拟生物表界面现象。本项目提出了关于具有纳米级可控微区结构/化学的表面对蛋白质吸附的调控的研究。利用活性自由基聚合结合点击化学合成了多种环状聚合物，而后通过表面组装的方法制备了相同分子量的环状聚合物和线性聚合物组装表面，系统考察了聚合物的拓扑结构对组装表面性质以及表面与蛋白质相互作用的影响并提出了相应的吸附模型。进一步地，通过结合具有纳米级拓扑结构的基材以及多种表面化学修饰方法（如表面引发聚合，混合组装，层层组装等），制备了几类具有特定化学组成和拓扑结构的纳米级微区的材料表面，并通过多种生物学表征手段考察了这些表面与蛋白质及细菌、细胞之间的相互作用，总结了一些蛋白质与生物功能材料表面之间相互作用的规律。这些基础研究成果能够为设计具有特定功能表面的新型材料，进而实现精确调控生物表界面行为提供实验依据和理论指导。