血浆蛋白与材料表面高分子链相互作用的单分子力谱研究

The interactions between proteins and material surfaces play a crucial role in the anticoagulant behavior of biomaterials. However, the mechanism of interactions between plasma proteins and polymer surfaces at the single-molecule level is not clear yet. We will conduct an in-depth study on the interactions between plasma proteins and grafted polymer chains by applying single-molecule force spectroscopy. The force threshold of the reversible/irreversible adhesion between related proteins and material surfaces can be obtained by measuring the adhesion force of the proteins on surfaces of different polymer bulk materials (coagulant polyolefin and anticoagulant polyethylene glycol). On this basis, Polymer brushes with gradients in chain length and grafting density can be fabricated by combining light-induced surface-initiated atom transfer radical polymerization with patterning technology, and this can act as an ideal platform for analyzing the anticoagulant performance of materials by single-molecule force spectroscopy. The purpose is to study the interactions between plasma proteins and well-defined polymer brushes at the single-molecule level, determine the structure parameters of polymer brushes with anticoagulant properties, establish the qualitative/quantitative relation among surface structures, protein adhesion force and anticoagulant properties. This project will provide a theoretical basis for developing advanced biomedical polymer materials with anticoagulant properties.

蛋白质与材料表面之间的相互作用是决定生物材料抗凝血性能的关键。然而，血浆蛋白与高分子材料表面在单分子层次上的作用机制并不明确。为解决这一重要的科学问题，申请人拟利用单分子力谱方法深入研究血浆蛋白分子与材料表面高分子链之间的相互作用。通过在高分子本体材料（包括非抗凝血材料聚烯烃和抗凝血材料聚乙二醇）表面的蛋白粘附力探测，确定相关蛋白质在材料表面的可逆/不可逆粘附力阈值。在此基础上，利用光引发表面原子转移自由基聚合方法和图案化技术制备接枝长度和接枝密度呈梯度分布的高分子刷图案，从而构建基于单分子力谱的抗凝血材料分析检测平台。本项目重点在单分子层次上考查结构可控的聚乙二醇等多种高分子刷与血浆蛋白的相互作用，筛选出具备抗凝血潜力的高分子刷并确定其结构参数，从而建立表面结构、蛋白质界面粘附力和抗凝血性能之间的定性/定量关系，为开发抗凝血的先进医用高分子材料提供理论基础。

蛋白质与材料表面之间的相互作用是决定生物材料抗凝血性能的关键。然而，蛋白质与高分子材料表面在单分子层次上的作用机制并不明确。为解决这一重要的科学问题，本项目利用单分子力谱方法深入研究了血浆蛋白与材料表面高分子链之间的相互作用，取得了以下进展：1）获得纤维蛋白原分子与疏水表面的结合强度，证明纤维蛋白原能够快速吸附到疏水表面，阐明了纤维蛋白原与疏水表面的高亲和力是引发凝血过程的重要因素。2）发现聚丙烯酰胺在真空条件下可以形成稳定的链内氢键作用（其强度达到2.034 kcal/mol），证明了聚丙烯酰胺是一种良好的氢键供体和受体。3）阐明了水溶液中聚丙烯酰胺链的分子构象、电荷排布及氢键作用是影响其与蛋白质相互作用的重要因素。4）探测了聚乙烯亚胺-g-聚乙二醇嵌段共聚物的表面吸附形态和水合能力，揭示了水不仅是聚乙二醇的良性溶剂，而且对于维持聚乙二醇的“刷”状构象十分重要，证明了水合层是赋予材料表面抗蛋白吸附性能的关键因素。本课题的开展为开发设计具有优异抗凝血性能的先进医用高分子材料提供了实验依据和理论指导。