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淀粉样蛋白涂层介导的微纳米颗粒表面工程 发布者:田伟发布时间:2018-08-07 11: 56: 57浏览次数:

微/纳米粒子在催化,传感器,涂料,复合材料,光电子,能源,环境和生物医学等领域具有广泛而重要的应用价值。 颗粒的表面化学和物理结构决定了关键参数,例如胶体颗粒的稳定性,生物活性和相容性。 因此,颗粒表面工程已成为材料设计和应用的重要领域。 目前,在温和的水溶液中以低成本实现具有不同组成,尺寸,形状和结构的微纳米颗粒的表面官能化的通用方法很少。

由生物大分子(例如具有β-折叠结构的肽和蛋白质)作为核心形成的淀粉样蛋白是自然界中存在的重要的生物聚合物组装结构。 研究表明,除了许多神经退行性疾病如阿尔茨海默病,帕金森病等外,还有一大类淀粉样蛋白组装不仅没有生物毒性,而且还可以作为一种新的功能性生物材料应用。在许多高科技领域,包括生物医学和先进材料制造。 事实上,自然界通常使用大量淀粉样蛋白结构和相应的材料来实现无关疾病的一系列有益的生物学功能,例如结构材料,信息传递,催化载体和蛋白质储存。 这种淀粉样蛋白材料具有优异的生物相容性,高机械性能,丰富的界面官能团和组装形态,有望参与组织工程,药物输送,生物传感器,模板取向纳米材料合成,膜材料,(有机/无机杂化)复合材料。材料,光伏材料,仿生粘连等领域都有重要影响。

相转移溶菌酶(PTL)最初由杨鹏集团于2016年提出(Adv.Mater.2016,28,7414)。它是一种新型的淀粉样蛋白,不同于传统淀粉样蛋白的积累。蛋白质组装系统。它的特点是装配条件温和可控,速度快,材料和工艺成本大大降低。 目前,该系统包括至少两种新型结构,即纤维网络和纳米薄膜,它们可以在各种宏观材料界面界面上实现稳定的粘附和改性。 该系统不仅适用于溶菌酶,还可以扩展到其他蛋白质,如牛血清白蛋白(BSA),α-乳清蛋白,胰岛素等。 在这种组装中可能发生的共同规则是在蛋白质的一级结构中存在高纤维化概率序列结构,其可以引起淀粉样蛋白积聚。同时,在二级结构中存在大量被分子内二硫键冻结的α-结构。螺旋结构。 在这个分子的基础上,添加高效二硫键还原剂Tris(2-羧乙基)膦(TCEP)可以快速打开分子内二硫键并解锁α-螺旋结构,诱导它自发地移动到更低能量β-折叠。转化形成类淀粉样蛋白的组装。 系统地研究了组装机制(Angew.Chem.Int.Ed.2017,56,13440; Biomater.Sci.2018,6,836),Interfacial Adhesion Mechanism(Colloid Interface Sci.Commun.1208,22,42)和应用。基础(Adv.Mater.2016,28,579; Adv.Funct.Mater.1208,28,1704476; Angew.Chem.Int.Ed.2017,56,9331; Macromol.Biosci.2012,12,1053)后来,杨鹏的研究团队进一步将该方法扩展到微纳米粒子表面界面(图1),从而提供了一种简单,快速,低成本,生物相容的蛋白质涂层,可用于金属,无机和聚合。成功粘附于微纳米粒子,如活细胞和活细胞。

图1.基于PTL方法的微/纳米颗粒的表面改性和工程应用示意图。

该策略支持对微米和纳米粒子应用丰富且可调节的表面界面工程:

1.涂层表面富含官能团(如羟基,羧基,氨基,巯基,巯基等),可在多种微米纳米粒子表面形成强粘附性PTL涂层。粘合机制。耐超声波,极端酸碱pH和有机溶剂剥离);并提供可调节的反应位点用于随后的官能化(例如,可以引发表面接枝聚合,仿生矿化,无电沉积等)2,3)。

图2.聚合物(聚苯乙烯,PS)和无机(二氧化硅,SiO2)微纳米粒子表面上PTL层的工艺和电子显微镜表征。

图3. PTL涂层支持的微/纳米颗粒表面功能化。 (A)通过原子转移自由基聚合(ATRP)接枝到PTL涂覆的SiO2颗粒表面上的具有抗菌功能的聚丙烯酰氧基乙基三甲基氯化铵(PDMC)聚合物刷; (B)通过界面仿生矿化在PTL包覆的CaCO3颗粒的表面上生长羟基磷灰石(HAp); (C)通过钯催化的无电沉积在PTL涂覆的PS颗粒上沉积高导电金属层并通过PS去除PS该模板用于制备中空金属胶囊; (D)通过乙二胺四乙酸二钠盐(EDTA)蚀刻蚀刻CaCO3模板制备中空蛋白质胶囊(即纯PTL膜)。

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2.该策略可用于简单有效地制备Janus颗粒及其在表面上的微阵列排列。

3.该策略可用于批量制备具有有机聚合物作为核的高导电金属微纳米粒子,以及以蛋白质或金属作为壳的空心胶囊。

4.该策略可用于涂覆和进一步化学修饰活细胞表面(例如从活细胞表面引发反应性接枝聚合),以实现活细胞的功能调节和活细胞在固体表面上的固定。 。 如果涂层可以包裹在酵母上,它可以改善其机械稳定性并抵抗外部有毒物质如细胞溶解酶的侵袭。 通过PTL涂层介导的表面粘附,可以将一层酵母细胞稳定地固定在基质上,而不会显着影响其活性,用于随后的细胞工厂,细胞/器官芯片和固定化生物反应器。该应用程序提供了潜在的支持(图4)。

图4. PTL封装酵母细胞用于各种用途,如保护,表面功能化和表面固定。 (A)空白酵母细胞和PTL包裹的酵母细胞的比较; (B)不同缓冲液中酵母活性的比较; (C)PTL包裹的酵母细胞对外部有毒物质(酶解酶)的抗性在溶细胞酶存在下的示意性和抗性试验; (D)酶解酶渗透性试验,评价PTL膜阻断细胞溶解酶的能力; (E)将活酵母层固定在硅晶片上并代谢葡萄糖的PTL方法(F)固定化酵母层对葡萄糖代谢的反应性试验; (G,H)通过表面引发的ATRP方法(PEGMC)将聚乙二醇甲基丙烯酸酯接枝到PTL包被的酵母细胞上。聚合物刷。

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上述工作在线发表于Adv。母校。 (Advanced Materials),材料科学的权威期刊。

刘瑞瑞,赵健,胡新一,王东,张旭,彭阳*,粒子表面工程仿生生物聚合物涂层的一步组装。进阶Mater。,2018,DOI: 10.1002/adma.201802851

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201802851

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十大网赌网址化学化工十大网赌网站杨鹏集团成立于2012年底,隶属于应用表面与胶体化学重点实验室。 主要致力于基于蛋白质淀粉样蛋白装配的多功能仿生界面材料的基础和应用研究。 经过六年的努力,已经获得了一些系统的研究成果,这些成果已经在Macromol中得到。 BIOSCI。 (2012,12,1053),Chem。 Rev.(2013,113,5457),Adv。母校。 (2016,28,579,VIP论文),Adv。母校。 (2016,28,7414,Frontispiece),Angew。化学。诠释。埃德。 (2017,56,9331,热门论文),Angew。化学。诠释。 Ed(2017,56,13440),Adv。本功能。母校。 (2018,28,1704476),Adv。母校。 (2018,1802851)等权威期刊发表论文20余篇和研究论文。

论文的第一作者是硕士生刘瑞瑞,沟通的作者是杨鹏。 合作单位包括天津医科大学口腔医十大网赌网站张旭小组。 该项目由国家自然科学基金(No.51673112,51303100)等项目资助。 Advanced Materials是德国Wiley出版的材料科学和化学领域的领先期刊之一,2018年影响因子为21.950。

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