精确控制蛋白质与材料表界面的相互作用及其作用机制研究

Understanding protein-surface interactions is one of the most important aspects in the development of biomaterials. The reason for the great interest in this aspect is the realization that the behavior of proteins at the surface of a biomaterial is fundamentally responsible for the biocompatibility, the biofunctionality and the ultimate performance of the material. However, the complexity of protein structures as well as the sheer abundance of different types of proteins in physiological fluids renders this problem very complex and challenging for researchers. This project seeks to overcome such challenges by developing systematically model proteins with controlled and tunable properties using modern molecular biotechniques such as gene mutation, gene recombination and molecular cloning. This strategy, in combination with our experience and continued development in advanced surface modification/functionalization techniques and sophisticated characterization methodologies, will enable us to acquire protein-surface interactions at the fundamental level. This project aims at revealing the critical parameters in governing protein-surface interactions and establishing basic principles underlying surface properties and protein behavior, through a thorough examination of the correspondence relationship between surface properties of typical biomaterials and the physicochemical properties of proteins. The outcome of this project is expected to provide important theoretical basis and experimental support for the rational design and development of biomaterials, biomedical devices as well as novel biotechniques that involve protein-surface interactions.

生物材料首先通过其表面与生物体发生相互作用，进而诱导特异性的生物响应过程，最终实现材料的生物学功能。而蛋白质作为生命活动的主要调控者，其在材料-生物界面中的行为，尤其是与生物材料表面的相互作用不仅是生物表界面研究中的核心问题，而且也是生物技术应用领域中的关键问题。本项目为了克服蛋白质性质的多变量差异对揭示研究规律造成的困难，运用分子克隆、基因突变和重组等分子生物学技术获得一系列单点突变或分子量、等电点单一理化性质渐变及生物活性可调的模型蛋白质体系，并根据该蛋白质体系的结构特点，对典型材料表面的化学结构进行调控；通过研究材料表面性能与蛋白质理化性质之间的对应关系，阐明蛋白质与材料相互作用过程中的关键影响因素，建立材料表面性质与蛋白质理化性质间的相互作用关系，揭示材料表面调控蛋白质结合与活性的规律，为蛋白质的检测，设计与制备生物相容性、功能性材料提供理论依据和实验支撑。

蛋白质在材料表面的吸附是所有生物材料在应用于生物体环境时最先发生的界面现象。蛋白质的吸附数量、状态和种类直接影响材料的生物相容性或对特定生物反应的诱导，是生物材料界面设计过程中需要解决的最基本最关键的核心科学问题。揭示蛋白质与表面的相互作用规律，进而实现对蛋白质吸附行为的精确调控是解决这一科学问题的关键环节。从这一关键科学问题出发，本项目开展了包括模型蛋白质和表面的设计、蛋白质-表面相互作用机理研究和调控，以及运用相互作用规律构建系列生物功能表面的系统性研究工作，具体包括：1）模型蛋白的构建和新型表面化学修饰方法的建立。通过基因定点突变技术成功在模型蛋白质表面的指定位点引入反应性巯基，获得了反应位点不同而构象与活性相同的系列蛋白质模型；基于非共价相互作用，发展出系列可用于调控表面化学组成的策略，为构建模型表面及发展功能表面奠定了基础。2）利用模型蛋白以及表面化学性质和拓扑结构的精细设计，获得有关蛋白质吸附取向对其活性、环境稳定性以及生物稳定性的影响规律、修饰层分子拓扑结构对不同蛋白质吸附的影响规律；对比了最常用的几种蛋白质吸附定量测试方法，获得了SPR测试中计算蛋白质吸附量的转化系数适用范围、修饰层厚度和粘弹性等性能对QCM测试蛋白质吸附量的影响等重要结论。3）通过调节表面与血液系统关键蛋白的相互作用，使表面参与并干预凝血和纤溶系统的级联反应途径，通过感应凝血反应造成的微环境变化而激活纤溶功能实现溶栓，即，具有血栓应激性的纤溶功能表面；通过表面化学修饰和拓扑结构的结合，实现pH调控材料表面与具有杀菌功能的蛋白质以及细菌之间的相互作用，进而实现具有环境应激性“杀菌-释菌”功能的智能抗菌表面。本项目中所建立蛋白质吸附调控策略、蛋白质吸附测试方法的对比研究结论以及蛋白质吸附调控策略在构建生物功能表面中的应用实例，对生物材料的表界面相互作用研究以及表面设计有重要的指导意义。