仿生贻贝“闭环”拓扑结构，显著提升PEG抗污性能- 大数跨境

X-MOL资讯

2020-07-10

导读：韩国延世大学Byeong-Su Kim、蔚山国立科学技术研究所（UNIST）Chunggi Baig和Dong Woog Lee等研究者仿生贻贝，将儿茶酚功能基元引入PEG嵌段共聚物结构中，实现了高粘

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贻贝足丝蛋白组分中的邻苯二酚结构赋予贻贝在海洋环境中不同基底表面超强的粘附力，这使得贻贝从“海鲜”变身材料科学领域的“宠儿”，不少研究团队开始模仿贻贝，研发各种仿生材料。其中，通过将多巴胺功能基团引入聚合物链结构或利用聚多巴胺表面改性等策略，研究者们有效实现了材料界面粘附强度的提升。在防污涂层领域，聚乙二醇（PEG）基于其优异的水溶性、抗污染性及生物相容性，受到广泛的青睐。但是，由于目前仍缺乏高效的PEG功能化改性手段，使得将PEG防污性能简便转化到目标表面极具挑战性。

近日，韩国延世大学Byeong-Su Kim、蔚山国立科学技术研究所（UNIST）Chunggi Baig和Dong Woog Lee等研究者模仿贻贝，将儿茶酚功能基元引入PEG嵌段共聚物结构中，实现了高粘附性、高抗污功能涂层的简便构筑。表面力仪和原子分子动力学模拟研究表明，基底表面PEG的拓扑结构在防污性能中的起到关键作用。该研究成果中儿茶酚功能化的三嵌段PEG共聚物展现出显著提升的防污性能，在生物医学领域极具应用潜力。

PEG嵌段聚合物制备及表面拓扑结构示意图。图片来源：Macromolecules

研究团队采用阴离子开环聚合技术制备了不同分子量/儿茶酚基团含量的系列PEG嵌段共聚物，并对其结构进行了系统的NMR表征分析。其中1.66 ppm处缩丙酮特征吸收峰的存在，表明邻苯二酚结构经过基团保护后能够在聚合过程中保持稳定，保证了最终聚合物链结构中儿茶酚功能基团的成功引入。

PEG嵌段聚合物NMR表征。图片来源：Macromolecules

在热性能方面，嵌段聚合物在300 °C条件下未产生明显的热分解。通过浸渍吸附法在基底表面构筑PEG涂层，改性PEG聚合物能够实现在不同基底的吸附；AFM表征显示二嵌段（AB）PEG聚合物刷和环状拓扑结构三嵌段（ABA）PEG膜厚分为2.32±0.33 nm 和4.25 ±0.44 nm。

改性PEG在不同基底表面的浸渍吸附。图片来源：Macromolecules

研究团队通过表面力仪对PEG涂层抗BSA蛋白吸附进行表征分析，以研究其抗污染能力。研究表明具有闭环（loop）状表面拓扑结构的PEG嵌段聚合物涂层能够有效的降低蛋白吸附且易清洗脱吸附；而具有刷（brush）状拓扑结构的PEG嵌段聚合物涂层，测试时BSA会嵌入刷状聚合物分子链间，导致蛋白污染难以清洗。

表面拓扑结构对涂层抗蛋白吸附性能的影响。图片来源：Macromolecules

进一步采用石英晶体微天平（QCM-D）对聚合物和蛋白质在PEG涂层表面吸附情况进行实时监测。对比测试显示：儿茶酚功能化PEG嵌段共聚物能够涂覆金表面，而原始PEG则无法在金表面固定；刷状PEG聚合物其蛋白质吸附率比空白PEG低8倍（~59 ng/cm²），而环状PEG聚合物蛋白质吸更低至~0 ng/cm²，表明表面拓扑结构是影响PEG膜抗污性能的重要因素。

PEG抗污能力QCM-D分析。图片来源：Macromolecules

此外，研究团队对PEG拓扑结构对表面抗污能力影响的内在机理进行了系统的原子分子动力学模拟研究，为高端防污功能材料的设计提供了理论指导。同时，体外细胞粘附和细胞毒性试验结果表明：儿茶酚功能化PEG通过表面水化有效地抑制了细胞的粘附，作为基底细胞培养具有高存活率（良好的生物相容性）。

不同拓扑结构原子分子动力学模拟。图片来源：Macromolecules

总结

该研究通过PEG嵌段聚合物链结构中儿茶酚功能基元的引入，有效提升了PEG抗污材料在不同基底的界面粘附性能。同时，AB\ABA嵌段PEG聚合物表面拓扑结构对抗污性能影响的实验和动力学模拟研究，为高效抗污聚合物材料的结构设计和优化奠定了理论基础。该研究成果，PEG的化学及拓扑结构优化显著提升其抗污能力，同时维持了其优异的生物相容性，在生物医学领域应用前景广阔。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Mussel-Inspired Copolyether Loop with Superior Antifouling Behavior

Eeseul Shin, Chanoong Lim, Uk Jung Kang, Minseong Kim, Jinwoo Park, Dongseok Kim, Woojin Choi, Jinkee Hong, Chunggi Baig*, Dong Woog Lee*, Byeong-Su Kim*

Macromolecules, 2020, 53, 3551–3562, DOI: 10.1021/acs.macromol.0c00481