载体表面化学组成对蛋白质吸附行为的影响

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蛋白质的吸附行为在很大程度上取决于载体材料的表面化学组成。它影响蛋白质吸附速率、吸附量以及蛋白质在载体表面的排布和构象等吸附行为,并进而影响蛋白质的生物活性。蛋白质与载体表面之间的作用力包括疏水作用、静电作用、氢键及范德华力等。调控载体材料表面化学基团,已成为控制蛋白质吸附行为的重要手段。本文首先利用原子转移自由基聚合(ATRP)聚合得到了端羧基的聚苯乙烯,然后对其端基改性分别合成了分子量相同的端羟基和端三氟甲基的聚苯乙烯,消除了分子量对载体表面基团的影响。将端基功能化聚苯乙烯与聚苯乙烯(PS)共混,利用端基在表面的离析,分别得到了表面带有羧基(-COOH)、羟基(-OH)和三氟甲基(-CF3)的聚苯乙烯载体。对端基功能化聚合物载体表面进行酸解,测定了表面的-OH和-CF3基团密度。然后从载体的表面化学组成、表面能以及溶液参数等方面研究了牛血清白蛋白(BSA)在载体上的吸附行为。进一步选用生物活性易于检测的酶分子(脂肪酶,Lipase)进行吸附研究。初步实现了从调控载体表面化学组成的角度定量研究蛋白质的吸附行为,具体的结论如下:1.制备了一系列具有不同表面功能基团种类和密度的载体材料,其表面功能基团密度分别为:7.2×10-4mmol/m2(-COOH(H,高密度)),5.1×10-4mmol/m2(-COOH(L,低密度)), 5.5×10-4mmol/m2(-OH(H)),4.3×10-4mmol/m2(-OH(L)),6.5×10-4mmol/m2(-CF3)。2. BSA在载体表面为单层吸附,平衡时的吸附量:PS>-CF3>-COOH(L)>-COOH(H)>-OH(L)>-OH(H);载体表面功能基团与吸附BSA数量之比为:9.7(-CF3)、9.5(-COOH(L))、14.7(-COOH(H))、9.1(-OH(L))、13.2(PS-OH(H)),BSA与载体表面之间的疏水作用力起主要作用,载体表面亲水基团的引入使吸附量下降。3.载体表面BSA吸附速率:-CF3(1.627)<PS(2.159)<-COOH(L)(2.431)<-COOH(L)(3.061)< -OH(L)(3.186)<-OH(H)(3.324)。吸附量和吸附速率与载体表面能、表面能极性部分呈线性关系。在表面能非极性部分基本不变的前提下,表面能极性部分越大,BSA的吸附量越小,吸附速率越大。4.蛋白质吸附涉及蛋白质、溶液和载体三相,溶液性质对蛋白质吸附影响较为复杂。溶液的pH影响载体和BSA的表面电荷,从而改变两者之间的静电相互作用。对PS等不含离子型基团的载体,pH的影响较小;对含-COOH离子型基团的载体,pH的影响较为明显。在高的溶液离子强度下,离子的屏蔽效应会减弱载体与BSA之间的静电作用,同时由于BSA的部分盐析,导致载体表面蛋白质吸附量增加,其中以含-COOH的载体最为显著。5.脂肪酶在载体表面的吸附量和吸附速率的趋势与BSA相同:极性基团的引入使脂肪酶吸附量下降;表面极性部分越大,吸附量越小,吸附速率越大。由于蛋白质的体积效应,与BSA相比,脂肪酶在载体表面的吸附量明显下降;由于脂肪酶的疏水性特性,载体表面亲水性的改性对脂肪酶的抗吸附效果好于BSA。6.吸附使酶的最适pH向偏碱性的方向移动,底物与含亲水性基团-COOH和-OH载体上吸附脂肪酶的亲和性好于PS和含疏水性基团-CF3的载体。由于过度疏水的载体表面生物相容性较差,增加了载体与酶之间的非生物特异相互作用,导致了脂肪酶构象的变异,使吸附在PS和含-CF3载体上的酶催化活性较低,分别为自由酶的12.7%和20.5%,亲水性改善的含-OH载体上酶的活性最高,为自由酶的61.7%,-COOH次之,为36.8%。
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