陕西师范大学Adv. Mater.：仿生生物聚合物涂层的一步组装用于粒子表面工程

【引言】

微/纳米颗粒在诸如催化、传感器、涂层、光电材料以及生物医学等领域具有广泛的应用价值。颗粒的表面物理化学性质被认为是决定其稳定性、生物活性和相容性的一个关键因素，因此粒子表面工程是材料设计和应用中的一个重要发展方向。目前，包括Stober涂层、层层吸附和接枝聚合策略等在内的多种表面功能化方法已经成功开发出来，然而能够低成本、一步实现在水相中对具有不同化学组成、尺寸、形状和结构的粒子的表面功能化研究还鲜有报道。

【成果简介】

近日，陕西师范大学杨鹏教授发展了一种简便、快速的水相中构筑粒子表面涂层的方法，利用淀粉样蛋白溶菌酶的超快速组装实现了多种粒子表面上粘附稳定、生物相容的纳米涂层构筑，而且涂层的组成、尺寸、形状和结构能够进行调节。该方法制备得到的涂层不仅可以具有优异的界面粘附稳定性，涂层表面的多种官能团还能实现表面的进一步化学修饰和衍生。研究表明，纯蛋白涂层不会破坏细胞的生物活性，并且能够实现对活细胞的保护、表面功能化和固定等功能化应用。该成果以题为"One-Step Assembly of a Biomimetic Biopolymer Coating for Particle Surface Engineering"发表在Advanced Materials上。

【图文导读】

图1 微/纳米颗粒上一步水相构筑相转变溶菌酶(phase-transited lysozyme, PTL) 涂层及其功能化示意图

图2 微/纳米颗粒上PTL涂层的制备和表征

(A) 颗粒上构筑PTL涂层的过程示意图；

(B) Polystyrene (PS) 微/纳米颗粒（左图）及其涂覆PTL涂层（右图）后的SEM图像；

(C) SiO₂微/纳米颗粒的SEM图像；

(D) 100纳米SiO₂颗粒（左图）及其涂覆PTL涂层（右图）后的DLS曲线；

(E) 200纳米PS颗粒（左图）和100纳米SiO₂颗粒在涂覆PTL涂层前后ThT染色的荧光曲线；

(F) PTL涂覆10微米PS颗粒（左图）和2微米SiO₂颗粒在ThT染色后的荧光显微镜图像；

(G) 有无PTL涂层的1.5微米PS颗粒和100纳米SiO₂颗粒在刚果红染色后的图片；

(H) PTL涂覆100纳米SiO₂颗粒的FTIR表征及其相应的酰胺I和II区域的分峰分析。

图3 PTL涂覆微/纳米颗粒的表面功能化

(A) 通过表面引发的ATRP接枝在PTL涂覆SiO₂颗粒上构筑抗菌PDMC聚合物刷的示意图及SEM图像(i)和对S. aureus的杀菌率(ii)；

(B) PTL涂覆CaCO₃颗粒调制的羟基磷灰石仿生界面生长示意图及相应的SEM图像和粒子的EDX结果；

(C) PTL涂覆微/纳米颗粒上Pd催化的无电金属沉积示意图及去除PTL模板获得金属胶囊的表征；

(D) 通过去除CaCO₃模板获得PTL胶囊的示意图及表征。

图4 PTL涂层包裹活细胞实现对其的保护、表面功能化和固定

(A) 裸酵母细胞的SEM图像显示由于SEM制样过程而导致的细胞变形、缩小（左图）和PTL包覆酵母细胞的SEM图像显示其接近原始状态的完整形态；

(B) 酵母细胞在不同缓冲液中的增殖活性实验结果；

(C) PTL包覆酵母细胞的示意图及对酶消化的抵抗（左图）和有无PTL涂层时酵母细胞的存活能力对比（在消化酶溶液中）（右图）；

(D) 酵母消化酶在PTL薄膜中的渗透实验；

(E) 在酵母代谢葡萄糖之前（左图）和之后（右图），固定在平面基材上的酵母细胞层的SEM和光学（插图）图片；

(F) 固定化酵母层的重复代谢活性测试结果；

(G) 通过表面引发ATRP接枝在PTL包覆酵母细胞上构筑聚合物刷的示意图；

(H) PEGMC聚合物刷在酵母细胞上生长的SEM图像。

【小结】

本文中开发了一种淀粉样蛋白组装介导的表面修饰方法，可以实现在金属颗粒、无机颗粒以及聚合物颗粒上的简便、快速、低成本的表面涂层构筑，同时还可以提供丰富的表面反应位点来进行化学修饰和衍生化。该方法能够拓展至制备Janus粒子和中空金属或蛋白质胶囊，以及活细胞。蛋白涂层的引入还使得细胞能够牢固地固定在基底上，并较容易的在细胞表面上进一步实现功能化。因此，基于蛋白组装的颗粒和胶体表面工程有望在生物医学、细胞非遗传工程、环境保护以及催化等多个领域展现出应用前景。

文献链接：One-Step Assembly of a Biomimetic Biopolymer Coating for Particle Surface Engineering (Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201802851)

【团队介绍】

陕西师范大学化学化工学院杨鹏课题组组建于2012年底，隶属于应用表面与胶体化学教育部重点实验室。主要致力于基于蛋白质类淀粉样组装的多功能仿生界面材料基础和应用研究。经过六年的努力，已取得了一定的系统性研究成果，已在Macromol. Biosci. (2012, 12, 1053)、Chem. Rev. (2013, 113, 5547)、Adv. Mater. (2016, 28, 579, VIP paper)、Adv. Mater. (2016, 28, 7414, Frontispiece)、Angew. Chem. Int. Ed. (2017, 56, 9331, Hot paper)、Angew. Chem. Int. Ed (2017, 56, 13440)、Adv. Funct. Mater. (2018, 28, 1704476) 、Adv. Mater. (2018, 1802851)等权威期刊发表综述和研究论文二十余篇。

在该领域的工作汇总： 相转变溶菌酶（phase-transited lysozyme，PTL）最早由杨鹏课题组于2016年提出（Adv. Mater. 2016, 28, 7414），是一类区别于传统淀粉样蛋白质积聚的新的类淀粉样蛋白质组装体系。其特点在于组装条件温和可控、速度快、材料和过程成本极大降低。目前此体系至少包括两种新颖结构即纤维网络和纳米薄膜，均可在各类宏观材料表界面实现稳定粘附和改性。该体系不仅适用于溶菌酶，而且可拓展到其他蛋白质中，如牛血清白蛋白 (BSA)、α-乳白蛋白 (α-Lactalbumin)、胰岛素 (insulin)等(Biomater. Sci. 2018, 6, 836）。其能发生此类组装的共性规律是其蛋白质一级结构中存在能发生淀粉样积聚的高纤维化可能性序列结构，同时其二级结构中大量存在由分子内二硫键锁冻结的α-螺旋结构。在此分子基础之上，加入高效二硫键还原剂Tris(2-carboxyethyl)phosphine (TCEP)可快速打开分子内二硫键而解锁α-螺旋结构，诱导其向更加低能量的β-sheet自发转变而形成类淀粉样组装体（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 13440; Biomater. Sci. 2018, 6, 836）。PTL材料与各种材料表界面通过一种多位点粘附机理而实现稳定的界面粘附（Colloid Interface Sci. Commun. 2018, 22, 42）。在以上这些研究基础之上，PTL材料展示了在生物医用表界面（如蛋白质固定、抗菌和生物矿化等）和材料表界面改性等基础领域的应用前景（Adv. Mater. 2016, 28, 579; Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704476; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 9331; Macromol. Biosci. 2012, 12, 1053）。

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