具有可控配基密度的生物活性表面的构筑及功能研究

Model surfaces with well-controlled density of bioactive ligands are of great value to advancing our understanding of the ligand density-function paradigm. Preparation of such surfaces can be achieved if one understands the factors and principles driving the processes pertaining to activation of hydroxyl-terminated surfaces and subsequent ligand immobilization. Among the various types of activation and immobilization reactions reported, findings from the PI's previous studies have revealed the following advantages offered by vinyl sulfone-based reactions: 1) it can react hydroxyl functional groups in the presence of organocatalysts; 2) the extent of reaction with amine-containing ligand is controllable; 3) it is free of side reactions. These features have prompted us to propose the use of divinyl sulfone to systematically study the activation of hydroxyl-terminated surfaces and the effects of surface, solution and ligand on the process of immobilization. Combined with radiolabeling experiments, complementary surface analysis techniques will be applied to help identify the underlying principles. The proposed work differs from the conventional trial-and-error approach. Instead, it uses organocatalysts and reaction kinetics to guide the construction of various model surfaces featuring single-density ligands, one- and two-component graded ligands. It enables the establishment of two methods based on catalytic activation of hydroxyl-terminated surfaces and reaction kinetics to control ligand density on the surface.

精准控制表面配基密度决定了生物医用材料功能的实现。目前，配基密度控制依赖于大量实验探索和经验积累，缺乏定量化的规律指导。本项目的目标是建立和发展表面羟基催化活化和表面配基密度可控的方法学。基于乙烯基砜参与的反应，以展示羟基的自组装膜为起始表面,采用有机碱催化活化引入乙烯基砜基团；选取细胞黏附多肽和天然糖配基，系统评价表面、溶液和配基等因素对于表面配基偶联反应的影响。运用多种表面表征手段，结合放射性标记实验，获取表面反应动力学定量信息，凝练催化构效关系和表面反应内在规律，指导可控配基密度表面的构筑，制备单组分和多组分配基密度梯度样品。在此基础上，开展蛋白质和细胞研究，阐明配基密度-生物功能的关系和配基协同作用。预期的成果将用于指导生物医用材料表面的设计与再构筑，进而提升生物医用材料的生物功能。方法推广到纳米材料与器件、层析介质等多种表面的构筑，为其配基密度精准控制提供理论依据和技术支撑。

生物偶联主导了多种生物医用材料表界面的构筑，例如蛋白质层析、生物传感、酶固定及药物输送。亟待解决的问题是在生物材料或器械表面高效稳定地固定所需要的生物/化学活性分子，调控这些功能分子密度和取向才能显著提升生物医学材料的性能。生物偶联方法普遍存在以下缺点：反应活性低、可控性差、选择性不佳、普适性低，且密度调控和取向调控难以同时实现。此外，配基密度控制依赖于大量实验探索和经验积累，缺乏定量化的规律指导。针对上述难题，本项目以乙烯基砜偶联反应为例，深入开展了生物偶联反应可控性的研究，实现了对材料表界面上生物功能分子密度与取向的调控。利用多种互补的谱学手段和生物学表征工具，在不同层面上揭示了可控生物偶联的机理和分子基础。筛选出高效的有机碱催化剂，在无机硅材料和蛋白质层析材料上催化偶联了乙烯基砜基团，实现了微纳材料和二维平面材料的功能化。进一步凝练了催化构效关系和表面反应内在规律，用于指导单组分和多组分配基密度梯度样品的制备。并且开展蛋白质和细胞生物学研究，阐明密度-功能的关系和协同效应。对标文献报道的传统方法和上市的商业产品，我们的方法显著提高了单克隆抗体药物层析树脂、生物传感芯片及主动靶向肿瘤细胞的纳米粒子的性能，也揭示了纳米粒子针对巨噬细胞毒性的机理。我们首次报道了一种碳阴离子介导的表面引发聚合反应，在水相体系中实现了多种聚合单体的高分子刷生长，这些单体包括（甲基）丙烯酸酯、丙烯酰胺、对磺酸基苯乙烯。这种表面引发聚合反应无需除水除氧、操作条件温和、无重金属参与和污染，实现了绿色经济的高分子刷可控生长，可用于工业规模和大尺寸样品修饰与制备。综上所述，本项目成功展示了一系列表面乙烯基砜偶联反应的可控性，凝练了密度（取向）-功能的构效关系，满足了生物医用材料性能提高的迫切需求，拓展了其在蛋白纯化，生物传感、药物输送及酶固定中的应用。