微天平技術(shù)助力研究生物醫(yī)用涂層的通用策略仿生貽貝足蛋白
The Innovation | 仿生貽貝足蛋白：一種強大的生物醫(yī)用涂層的通用策略
編者薦語：
文中，QSense耗散型石英晶體微天平分析（QCM-D）技術(shù)被用于實時分析表面修飾過程和評估涂層的穩(wěn)定性和功能性。 如在將NHS-PEG4-疊氮化物和DBCO修飾的抗菌肽分別結(jié)合到PCPA涂層和疊氮化表面時，QCM-D提供了實時的結(jié)合量數(shù)據(jù)。
以下文章來源于TheInnovation創(chuàng)新 ，作者Z Du, F Qiao
構(gòu)建一種兼具與廣譜材料表面牢固結(jié)合力、優(yōu)異機械化學(xué)穩(wěn)健性和二次表面功能化能力的多功能通用涂層是一個技術(shù)難題。本研究受貽貝黏著斑在惡劣海洋環(huán)境下表現(xiàn)出的與巖石表面具有永久、牢固粘附性能的啟發(fā)，通過設(shè)計貽貝足絲蛋白仿生分子，開發(fā)了一種具有“鋼筋混凝土網(wǎng)架結(jié)構(gòu)”的新型通用性多功能粘附涂層。研究結(jié)果表明，該涂層不僅具備與多酚涂層相同的廣譜材料表面改性適用性，還因其高度化學(xué)交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出其他兒茶酚、植物多酚和金屬-酚網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)涂層所不具備的超強機械化學(xué)魯棒性。此外，該涂層還擁有更廣泛的功能應(yīng)用可擴(kuò)展性，為多用途生物醫(yī)學(xué)材料和器件的表面功能化定制提供了一個簡單而有效的工具包。
導(dǎo) 讀
具有良好表面黏附、機械化學(xué)穩(wěn)健性和二次改性能力的多功能涂層在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要的科學(xué)意義。這種涂層不僅可以為精確的生物功能設(shè)計提供基礎(chǔ)，還能保障生物效應(yīng)的持久發(fā)揮。然而，將這些優(yōu)勢整合到一個系統(tǒng)中仍然具有挑戰(zhàn)性，限制了研究人員對多功能涂層的探索。因此，發(fā)展堅固的多功能通用涂層具有重要意義。
圖1 圖文摘要
目前的通用涂層技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于增強生物材料和器械的生物功能，但傳統(tǒng)技術(shù)在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面仍存在缺陷，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展與應(yīng)用。基于此，本研究受貽貝足絲蛋白（Mefp）可以形成堅固粘著斑的啟發(fā)，通過兒茶酚修飾的聚烯丙胺（CPA）模擬Mefp-5的官能基團(tuán)和骨架，開發(fā)了一種簡單且通用的偽-Mefp-5（Pseudo-Mefp-5）表面化學(xué)策略。polyCPA（PCPA）相互糾纏形成的“類鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)賦予涂層優(yōu)異的機械化學(xué)魯棒性，并提供豐富的活性接枝位點，允許精確的表面功能化設(shè)計，使Pseudo-Mefp-5通用涂層在多用途生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中顯示出巨大的潛力（圖1）。
相比于堅固的貽貝黏著斑，聚多巴胺（PDA）涂層在稍苛刻的條件下（如超聲波、微酸或堿）表現(xiàn)出有限的機械強度。這與PDA涂層依賴于鄰苯二酚氧化和自聚合形成的低分子量低聚物堆積，形成了一個“類混凝土”結(jié)構(gòu)、缺乏“錨定”低聚物的“骨架狀”網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。而貽貝黏著斑中的Mefp-5是一種含有兒茶酚和胺基團(tuán)的柔性大分子，可以通過自聚合過程中的交聯(lián)及相互纏繞，提供“類鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)，增強分子間的相互作用力和內(nèi)聚力�；诖�，作者認(rèn)為“骨架”和官能團(tuán)的共存對強黏附的實現(xiàn)至關(guān)重要（圖2）。
圖2 受貽貝粘附斑塊啟發(fā)的偽Mefp-5表面化學(xué)策略
機械化學(xué)穩(wěn)定性測試表明，經(jīng)過極端化學(xué)侵蝕以及物理損傷后，相比較于僅模仿Mefp-5的兒茶酚的傳統(tǒng)仿生涂層，Pseudo-Mefp-5通過分子骨架的加入展現(xiàn)出更加穩(wěn)定的性能。作者推測，這是由于PCPA涂層中CPA分子通過分子間的相互交聯(lián)和糾纏形成“類鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)賦予涂層優(yōu)異的機械化學(xué)魯棒性（圖3）。
圖3 PCPA涂層的機械化學(xué)魯棒性
生物功能表面的持久性對于生物醫(yī)學(xué)植入物的長期服役至關(guān)重要。通過強酸、強堿、和氧化劑進(jìn)行極端處理后，所有結(jié)果都表明PCPA涂層實現(xiàn)了牢固的生物分子的強大拴系。進(jìn)一步證明了涂層穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)是抵御化學(xué)侵蝕、維持生物分子持久功能效應(yīng)發(fā)揮的保障（圖4）。
圖4 生物分子二次接枝以及生物功能的長效保持
PCPA涂層的表面胺基團(tuán)轉(zhuǎn)化為羧基，從而實現(xiàn)含胺分子（硒代胱胺，SeCA）的共價固定以擴(kuò)大應(yīng)用范圍。所得SeCA-PCPA不僅在體外實現(xiàn)血管細(xì)胞的生長調(diào)控，而且在體內(nèi)抑制了血栓形成并促進(jìn)受損血管組織的修復(fù)（圖5）。
圖5 PCPA涂層官能團(tuán)的轉(zhuǎn)換
作者進(jìn)一步利用PCPA涂層實現(xiàn)生物分子活性保持更高的生物正交點擊化學(xué)平臺的構(gòu)建。所得ABP-PCPA涂層在體外展示出優(yōu)異的抗菌性能。在體外研究的基礎(chǔ)上，作者還評估了ABP-PCPA引起的炎癥反應(yīng)。結(jié)果顯示ABP-PCPA展現(xiàn)出優(yōu)異的抗感染和促損傷修復(fù)能力，能夠減輕炎癥反應(yīng)（圖6）。
圖6 PCPA涂層表面疊氮化，用于“清潔”分子修飾
總結(jié)與展望
綜上所述，該研究報道了一種Pseudo-Mefp-5表面化學(xué)策略，用于制造具有機械化學(xué)魯棒性的多功能通用涂層。通過鄰苯二酚改性聚烯丙胺（CPA）模擬Mefp-5的官能團(tuán)和主鏈，開發(fā)出具有“類鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)的涂層，賦予其出色的機械化學(xué)魯棒性以及對摩擦或形變的抵抗力。此外，涂層表面豐富的胺基團(tuán)可轉(zhuǎn)化為其他反應(yīng)性官能團(tuán)，可實現(xiàn)精確的多功能表面設(shè)計。總體而言，本研究提出的Pseudo-Mefp-5表面化學(xué)策略為多用途生物醫(yī)學(xué)通用涂層的制備提供了一種新的方法。
責(zé)任編輯
吳 屏 同濟(jì)醫(yī)院
任充華 華南師范大學(xué)
原文鏈接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00109-7
本文內(nèi)容來自Cell Press合作期刊The Innovation第五卷第五期以Report發(fā)表的“Mimicking Mytilus edulis foot protein: A versatile strategy for robust biomedical coatings” (投稿: 2024-03-27；接收: 2024-06-28；在線刊出: 2024-06-29)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100671
引用格式：Du Z., Qiao F., Tong L., et al. (2024). Mimicking Mytilus edulis foot protein: A versatile strategy for robust biomedical coatings. The Innovation 5(5), 100671.
作者簡介
楊志祿（通訊作者），南方醫(yī)科大學(xué)高層次引進(jìn)人才，特聘研究員/博士生導(dǎo)師，中國生物材料學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎獲得者、廣州南創(chuàng)珠峰醫(yī)療科技有限公司董事會董事�，F(xiàn)任國際期刊Smart Materials in Medicine創(chuàng)刊主編、中國科協(xié)旗艦刊Research副主編、Bioactive Materials等期刊編委，中國解剖學(xué)會血管分會副主任委員，中國生物材料學(xué)會康復(fù)器械與生物材料分會常務(wù)委員等職，入選“全球前2%科學(xué)家”榜單。研究方向聚焦心血管生物材料與再生醫(yī)學(xué)研究。主持國家自然科學(xué)基金--國際(地區(qū))合作與交流、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金--粵港澳研究團(tuán)隊項目及四川省杰出青年科學(xué)基金等省/國家級項目10余項。以通訊/第一作者在包括PNAS，Nature Communications，The Innovation，Advanced Functional. Materials等國際期刊共發(fā)表論文60余篇。獲得授權(quán)發(fā)明專利33項，一項血管支架涂層專利技術(shù)以1500萬作價入股實施了轉(zhuǎn)化，研發(fā)的可降解鎂合金支架進(jìn)入到產(chǎn)業(yè)化工程和申報檢驗階段。
https://dghospitallab.zkshare.com/client/TeamIntroduction/detail/3
王懷雨（通訊作者），中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員/博士生導(dǎo)師，國家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年基金獲得者，中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會優(yōu)秀會員，中國生物材料學(xué)會康復(fù)器械與生物材料分會副主任委員，中國生物材料學(xué)會青年委員會委員，中國生物材料學(xué)會先進(jìn)制造分會委員，入選“全球前2%科學(xué)家”榜單。先后承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃課題、中國科學(xué)院STS區(qū)域重點等項目。以第一/通訊作者在The Innovation, Nature Communications、Advanced Materials等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文60余篇。
http://htod.siat.ac.cn/index.php/Team/detail.shtml?id=4&cid=11
更多QSense耗散型石英晶體微天平技術(shù)詳情請查閱技術(shù)網(wǎng)頁或者聯(lián)系百歐林。
編者薦語：
文中，QSense耗散型石英晶體微天平分析（QCM-D）技術(shù)被用于實時分析表面修飾過程和評估涂層的穩(wěn)定性和功能性。 如在將NHS-PEG4-疊氮化物和DBCO修飾的抗菌肽分別結(jié)合到PCPA涂層和疊氮化表面時，QCM-D提供了實時的結(jié)合量數(shù)據(jù)。
以下文章來源于TheInnovation創(chuàng)新 ，作者Z Du, F Qiao
構(gòu)建一種兼具與廣譜材料表面牢固結(jié)合力、優(yōu)異機械化學(xué)穩(wěn)健性和二次表面功能化能力的多功能通用涂層是一個技術(shù)難題。本研究受貽貝黏著斑在惡劣海洋環(huán)境下表現(xiàn)出的與巖石表面具有永久、牢固粘附性能的啟發(fā)，通過設(shè)計貽貝足絲蛋白仿生分子，開發(fā)了一種具有“鋼筋混凝土網(wǎng)架結(jié)構(gòu)”的新型通用性多功能粘附涂層。研究結(jié)果表明，該涂層不僅具備與多酚涂層相同的廣譜材料表面改性適用性，還因其高度化學(xué)交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出其他兒茶酚、植物多酚和金屬-酚網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)涂層所不具備的超強機械化學(xué)魯棒性。此外，該涂層還擁有更廣泛的功能應(yīng)用可擴(kuò)展性，為多用途生物醫(yī)學(xué)材料和器件的表面功能化定制提供了一個簡單而有效的工具包。
導(dǎo) 讀
具有良好表面黏附、機械化學(xué)穩(wěn)健性和二次改性能力的多功能涂層在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要的科學(xué)意義。這種涂層不僅可以為精確的生物功能設(shè)計提供基礎(chǔ)，還能保障生物效應(yīng)的持久發(fā)揮。然而，將這些優(yōu)勢整合到一個系統(tǒng)中仍然具有挑戰(zhàn)性，限制了研究人員對多功能涂層的探索。因此，發(fā)展堅固的多功能通用涂層具有重要意義。
圖1 圖文摘要
目前的通用涂層技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于增強生物材料和器械的生物功能，但傳統(tǒng)技術(shù)在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面仍存在缺陷，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展與應(yīng)用。基于此，本研究受貽貝足絲蛋白（Mefp）可以形成堅固粘著斑的啟發(fā)，通過兒茶酚修飾的聚烯丙胺（CPA）模擬Mefp-5的官能基團(tuán)和骨架，開發(fā)了一種簡單且通用的偽-Mefp-5（Pseudo-Mefp-5）表面化學(xué)策略。polyCPA（PCPA）相互糾纏形成的“類鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)賦予涂層優(yōu)異的機械化學(xué)魯棒性，并提供豐富的活性接枝位點，允許精確的表面功能化設(shè)計，使Pseudo-Mefp-5通用涂層在多用途生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中顯示出巨大的潛力（圖1）。
相比于堅固的貽貝黏著斑，聚多巴胺（PDA）涂層在稍苛刻的條件下（如超聲波、微酸或堿）表現(xiàn)出有限的機械強度。這與PDA涂層依賴于鄰苯二酚氧化和自聚合形成的低分子量低聚物堆積，形成了一個“類混凝土”結(jié)構(gòu)、缺乏“錨定”低聚物的“骨架狀”網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。而貽貝黏著斑中的Mefp-5是一種含有兒茶酚和胺基團(tuán)的柔性大分子，可以通過自聚合過程中的交聯(lián)及相互纏繞，提供“類鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)，增強分子間的相互作用力和內(nèi)聚力�；诖�，作者認(rèn)為“骨架”和官能團(tuán)的共存對強黏附的實現(xiàn)至關(guān)重要（圖2）。
圖2 受貽貝粘附斑塊啟發(fā)的偽Mefp-5表面化學(xué)策略
機械化學(xué)穩(wěn)定性測試表明，經(jīng)過極端化學(xué)侵蝕以及物理損傷后，相比較于僅模仿Mefp-5的兒茶酚的傳統(tǒng)仿生涂層，Pseudo-Mefp-5通過分子骨架的加入展現(xiàn)出更加穩(wěn)定的性能。作者推測，這是由于PCPA涂層中CPA分子通過分子間的相互交聯(lián)和糾纏形成“類鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)賦予涂層優(yōu)異的機械化學(xué)魯棒性（圖3）。
圖3 PCPA涂層的機械化學(xué)魯棒性
生物功能表面的持久性對于生物醫(yī)學(xué)植入物的長期服役至關(guān)重要。通過強酸、強堿、和氧化劑進(jìn)行極端處理后，所有結(jié)果都表明PCPA涂層實現(xiàn)了牢固的生物分子的強大拴系。進(jìn)一步證明了涂層穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)是抵御化學(xué)侵蝕、維持生物分子持久功能效應(yīng)發(fā)揮的保障（圖4）。
圖4 生物分子二次接枝以及生物功能的長效保持
PCPA涂層的表面胺基團(tuán)轉(zhuǎn)化為羧基，從而實現(xiàn)含胺分子（硒代胱胺，SeCA）的共價固定以擴(kuò)大應(yīng)用范圍。所得SeCA-PCPA不僅在體外實現(xiàn)血管細(xì)胞的生長調(diào)控，而且在體內(nèi)抑制了血栓形成并促進(jìn)受損血管組織的修復(fù)（圖5）。
圖5 PCPA涂層官能團(tuán)的轉(zhuǎn)換
作者進(jìn)一步利用PCPA涂層實現(xiàn)生物分子活性保持更高的生物正交點擊化學(xué)平臺的構(gòu)建。所得ABP-PCPA涂層在體外展示出優(yōu)異的抗菌性能。在體外研究的基礎(chǔ)上，作者還評估了ABP-PCPA引起的炎癥反應(yīng)。結(jié)果顯示ABP-PCPA展現(xiàn)出優(yōu)異的抗感染和促損傷修復(fù)能力，能夠減輕炎癥反應(yīng)（圖6）。
圖6 PCPA涂層表面疊氮化，用于“清潔”分子修飾
總結(jié)與展望
綜上所述，該研究報道了一種Pseudo-Mefp-5表面化學(xué)策略，用于制造具有機械化學(xué)魯棒性的多功能通用涂層。通過鄰苯二酚改性聚烯丙胺（CPA）模擬Mefp-5的官能團(tuán)和主鏈，開發(fā)出具有“類鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)的涂層，賦予其出色的機械化學(xué)魯棒性以及對摩擦或形變的抵抗力。此外，涂層表面豐富的胺基團(tuán)可轉(zhuǎn)化為其他反應(yīng)性官能團(tuán)，可實現(xiàn)精確的多功能表面設(shè)計。總體而言，本研究提出的Pseudo-Mefp-5表面化學(xué)策略為多用途生物醫(yī)學(xué)通用涂層的制備提供了一種新的方法。
責(zé)任編輯
吳 屏 同濟(jì)醫(yī)院
任充華 華南師范大學(xué)
原文鏈接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00109-7
本文內(nèi)容來自Cell Press合作期刊The Innovation第五卷第五期以Report發(fā)表的“Mimicking Mytilus edulis foot protein: A versatile strategy for robust biomedical coatings” (投稿: 2024-03-27；接收: 2024-06-28；在線刊出: 2024-06-29)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100671
引用格式：Du Z., Qiao F., Tong L., et al. (2024). Mimicking Mytilus edulis foot protein: A versatile strategy for robust biomedical coatings. The Innovation 5(5), 100671.
作者簡介
楊志祿（通訊作者），南方醫(yī)科大學(xué)高層次引進(jìn)人才，特聘研究員/博士生導(dǎo)師，中國生物材料學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎獲得者、廣州南創(chuàng)珠峰醫(yī)療科技有限公司董事會董事�，F(xiàn)任國際期刊Smart Materials in Medicine創(chuàng)刊主編、中國科協(xié)旗艦刊Research副主編、Bioactive Materials等期刊編委，中國解剖學(xué)會血管分會副主任委員，中國生物材料學(xué)會康復(fù)器械與生物材料分會常務(wù)委員等職，入選“全球前2%科學(xué)家”榜單。研究方向聚焦心血管生物材料與再生醫(yī)學(xué)研究。主持國家自然科學(xué)基金--國際(地區(qū))合作與交流、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金--粵港澳研究團(tuán)隊項目及四川省杰出青年科學(xué)基金等省/國家級項目10余項。以通訊/第一作者在包括PNAS，Nature Communications，The Innovation，Advanced Functional. Materials等國際期刊共發(fā)表論文60余篇。獲得授權(quán)發(fā)明專利33項，一項血管支架涂層專利技術(shù)以1500萬作價入股實施了轉(zhuǎn)化，研發(fā)的可降解鎂合金支架進(jìn)入到產(chǎn)業(yè)化工程和申報檢驗階段。
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王懷雨（通訊作者），中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員/博士生導(dǎo)師，國家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年基金獲得者，中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會優(yōu)秀會員，中國生物材料學(xué)會康復(fù)器械與生物材料分會副主任委員，中國生物材料學(xué)會青年委員會委員，中國生物材料學(xué)會先進(jìn)制造分會委員，入選“全球前2%科學(xué)家”榜單。先后承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃課題、中國科學(xué)院STS區(qū)域重點等項目。以第一/通訊作者在The Innovation, Nature Communications、Advanced Materials等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文60余篇。
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