高分子混合刷吸附-脱附蛋白质的模型化研究.docxVIP

? ? 高分子混合刷吸附/脱附蛋白质的模型化研究* ? ? 刘春杰 赵新军? 高志福 蒋中英 1) (伊犁师范大学，新疆凝聚态相变与微结构实验室，伊宁 835000) 2) (伊犁师范大学，微纳电传感器技术与仿生器械实验室，伊宁 835000) 3) (中国科学院，新疆乌鲁木齐天文台，乌鲁木齐 830011) 本文基于扩散动力学,建立了一种新的理论模型研究高分子混合刷在蛋白质吸附/脱附过程中的动力学特性.理论模型考虑高分子混合刷中一种高分子链 (P-高分子链)对蛋白质的吸附,另一种高分子链 (N-高分子链)对蛋白质的脱附,以及吸附/脱附的时滞性.通过选取模型中各参数值,获得了具有不同化学、物理性质的高分子混合刷对蛋白质的部分吸附/脱附、完全吸附/脱附,以及周期性吸附/脱附的动力学特性.研究发现,由于外加交变电场的作用,高分子混合刷对蛋白质吸附/脱附过程呈现出周期性循环的动力学特性,并且平均吸附、脱附量增加.本文理论结果符合实验观测.可以预言,外加交变电场可实现高分子混合刷对蛋白质吸附/脱附的多次循环,为设计吸附/脱附蛋白质的高分子混合刷纳米材料提供必要的参考和新方案. 1 引言 蛋白质吸附在设计生物材料和生物医学科学应用中具有重要意义,蛋白质吸附往往是一种自发且几乎不可逆的现象[1?4],然而,蛋白质的脱附对于设计抗污材料以及组织移植也至关重要.应用高分子混合刷不仅可以吸附大量的蛋白质,而且可以通过调控外部刺激(pH、离子强度、温度、光、溶剂等)实现对蛋白质的脱附[5?7]. Delcroix 等[8]通过接枝中性高分子 PEO 与聚电解质高分子 PAA(聚丙烯酸),设计合成了PEO/PAA 混合刷,定量确定了 PEO/PAA 混合刷对蛋白质的吸附/脱附特性,他们的研究发现,86% 被 PAA 链吸附的蛋白质会被 PEO 脱附.Bratek-Skicki 等[9]通过改变 PEO/PAA 混合刷内的 pH、离子强度,调控了 PAA 的构象以及带电特性.研究发现,伸展的 PAA 链可以吸附大量的蛋白质,而 PEO 高分子链则通过构象改变使吸附在 PAA 链内的蛋白质脱附.应用高分子混合刷实现对蛋白质的吸附/脱附,为分离技术、生物传感和纳米医学的发展,提供了极大的帮助.Pan 等[10]利用 PMOXA(聚 2-甲基–2-唑啉)优异的抗蛋白质特性,设计合成了 PMOXA/PAA 混合刷,研究发现,通过适当调节 pH、离子强度和高分子链长,该混合刷中被 PAA 吸附的牛血清白蛋白(BSA)几乎可以被 PEO 完全脱附.高分子混合刷不仅可以在很大程度上对蛋白质吸附/脱附,而且对蛋白质的吸附/脱附性是高度可切换的.因此,应用两种不同性质的高分子设计的高分子混合刷,不仅可以选择性地吸附和脱附蛋白质,更重要的是高分子混合刷可以周期性地实现对蛋白质的吸附/脱附循环.深刻理解高分子混合刷对蛋白质的吸附/脱附特性,对于设计相关材料是非常重要的.Halperin[11]基于平衡态热力学构建了高分子刷抵抗蛋白质吸附的理论模型,揭示了在高分子刷吸附蛋白质的过程中,短程吸引力占主导地位,由于范德华吸引力,高分子刷对蛋白质还会出现二次吸附现象,较大的接枝密度会抑制蛋白质的吸附.Fang 等[12]基于扩散动力学方程研究了均聚物高分子刷对蛋白质吸附/脱附的动力学特性,研究发现,高分子刷对蛋白质吸附/脱附的时间决定于高分子吸附蛋白质的动力学势垒,解吸动力学非常缓慢并且以非单调方式依赖于高分子链长.Su 等[13]应用分子场理论研究了高分子刷的构象转变、接枝密度、刷的高度等对高分子刷吸附/脱附蛋白质的影响,为设计吸附/脱附蛋白质的高分子刷提供了参考.此外,球盒模型(spherical box model)[14]、自洽场理论[15]、密度泛函理论[16]等已被广泛用于深入分析高分子刷对蛋白质的吸附特性,确定了决定高分子刷吸附蛋白质的影响因素(例如 pH、离子强度、分子链长等). 虽然之前的理论[12?17]在研究高分子刷吸附/脱附蛋白质方面已经取得了重要的成果,但其更多是侧重研究均聚物高分子刷对蛋白质的吸附/脱附特性,均聚物刷中的高分子链依靠自身化学物理性质的改变(例如带电特性、构象转变),实现对蛋白质的吸附/脱附.相比均聚物刷,高分子混合刷则是一种高分子链吸附蛋白质,另一种高分子链脱附蛋白质,是由两种高分子链分别实现对蛋白质的吸附与脱附.高分子混合刷中由于是两种高分子链不同时间对蛋白质吸附/脱附,这样两种高分子链对蛋白质的吸附与脱附存在时滞性,此外,高分子混合刷中两种高分子链的构象可以周期性切换,从而可以实现周期性地对蛋白质的吸附/脱附循环,并且具有较高的吸附/脱附率[8?10].因此,高分子混合刷吸附/脱附蛋白质的动力学过程显著不同于均聚物高分子刷.