The Innovation | 仿生貽貝足蛋白：一種強(qiáng)大的生物醫(yī)用涂層的通用策略
編者薦語(yǔ)：
文中，QSense耗散型石英晶體微天平分析（QCM-D）技術(shù)被用于實(shí)時(shí)分析表面修飾過(guò)程和評(píng)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(shí),，QCM-D提供了實(shí)時(shí)的結(jié)合量數(shù)據(jù)。
以下文章來(lái)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(jī)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(gè)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牢固粘附性能的啟發(fā)，通過(guò)設(shè)計(jì)貽貝足絲蛋白仿生分子,，開(kāi)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excellent機(jī)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(gè)簡(jiǎn)單而有效的工具包,。
導(dǎo) 讀
具有良好表面黏附,、機(jī)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(jì)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(shì)整合到一個(gè)系統(tǒng)中仍然具有挑戰(zhàn)性,，限制了研究人員對(duì)多功能涂層的探索,。因此，發(fā)展堅(jiān)固的多功能通用涂層具有重要意義,。
目前的通用涂層技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于增強(qiáng)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(jiān)固粘著斑的啟發(fā)，通過(guò)兒茶酚修飾的聚CPA模擬Mefp-5的官能基團(tuán)和骨架,，開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)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(lèi)鋼筋混凝土"結(jié)構(gòu)賦予涂層優(yōu)異的機(jī)械化學(xué)魯棒性，并提供豐富的活性接枝位點(diǎn),，允許精確的表面功能化設(shè)計(jì),，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(jiān)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(jī)械強(qiáng)度。這與PDA涂層依賴(lài)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(gè)“類(lèi)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(guò)自聚合過(guò)程中的交聯(lián)及相互纏繞,，提供“類(lèi)鋼筋混凝土"結(jié)構(gòu),，增強(qiáng)分子間的相互作用力和內(nèi)聚力?；诖耍髡哒J(rèn)為“骨架"和官能團(tuán)的共存對(duì)強(qiáng)黏附的實(shí)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(jī)械化學(xué)穩(wěn)定性測(cè)試表明,，經(jīng)過(guò)serious化學(xué)侵蝕以及物理?yè)p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(guò)分子骨架的加入展現(xiàn)出更加穩(wěn)定的性能,。作者推測(cè)，這是由于PCPA涂層中CPA分子通過(guò)分子間的相互交聯(lián)和糾纏形成“類(lèi)鋼筋混凝土"結(jié)構(gòu)賦予涂層優(yōu)異的機(jī)械化學(xué)魯棒性（圖3）,。
圖3 PCPA涂層的機(jī)械化學(xué)魯棒性
生物功能表面的持久性對(duì)于生物醫(yī)學(xué)植入物的長(zhǎng)期服役至關(guān)重要,。通過(guò)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿,、和氧化劑進(jìn)行處理后,，所有結(jié)果都表明PCPA涂層實(shí)現(xiàn)了牢固的生物分子的強(qiáng)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(zhǎng)效保持
PCPA涂層的表面胺基團(tuán)轉(zhuǎn)化為羧基，從而實(shí)現(xiàn)含胺分子（硒代胱胺,，SeCA）的共價(jià)固定以擴(kuò)大應(yīng)用范圍,。所得SeCA-PCPA不僅在體外實(shí)現(xiàn)血管細(xì)胞的生長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)生物分子活性保持更高的生物正交點(diǎn)擊化學(xué)平臺(tái)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(píng)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(bào)道了一種Pseudo-Mefp-5表面化學(xué)策略,，用于制造具有機(jī)械化學(xué)魯棒性的多功能通用涂層,。通過(guò)鄰苯二酚改性聚CPA模擬Mefp-5的官能團(tuán)和主鏈，開(kāi)發(fā)出具有“類(lèi)鋼筋混凝土"結(jié)構(gòu)的涂層,，賦予其出色的機(jī)械化學(xué)魯棒性以及對(duì)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(shí)現(xiàn)精確的多功能表面設(shè)計(jì),?？傮w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：cell. com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00109-7
本文內(nèi)容來(lái)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(xiàn)刊出: 2024-06-29),。
DOI: 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(jiǎn)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(guó)生物材料學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)獲得者,、廣州南創(chuàng)珠峰醫(yī)療科技有限公司董事會(huì)董事。現(xiàn)任國(guó)際期刊Smart Materials in Medicine創(chuàng)刊主編,、中國(guó)科 -協(xié)旗艦刊Research副主編,、Bioactive Materials等期刊編委，中國(guó)解剖學(xué)會(huì)血管分會(huì)副主任委員,，中國(guó)生物材料學(xué)會(huì)康復(fù)器械與生物材料分會(huì)常務(wù)委員等職,，入選“global 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(guó)家自然科學(xué)基金--國(guó)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(duì)項(xiàng)目及四川省杰出青年科學(xué)基金等省/國(guó) -家-級(jí)項(xiàng)目10余項(xiàng)。以通訊/ 一作在包括PNAS,，Nature Communications,，The Innovation，Advanced Functional. Materials等國(guó)際期刊共發(fā)表論文60余篇,。獲得授 -權(quán)發(fā)明專(zhuān)-利33項(xiàng),，一項(xiàng)血管支架涂層專(zhuān)-利技術(shù)以1500萬(wàn)作價(jià)入股實(shí)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(bào)檢驗(yàn)階段,。
dghospitallab.zkshare. com/client/TeamIntroduction/detail/3
王懷雨（通訊作者）,，中--國(guó) 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(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年基金獲得者,，中國(guó)-科-學(xué)-院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員,，中國(guó)生物材料學(xué)會(huì)康復(fù)器械與生物材料分會(huì)副主任委員，中國(guó)生物材料學(xué)會(huì)青年委員會(huì)委員,，中國(guó)生物材料學(xué)會(huì) 先-進(jìn)制造分會(huì)委員,，入選“全 -球 -前2%科學(xué)家"榜單。先后承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金,、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題,、中國(guó) -科-學(xué)-院STS區(qū)域重點(diǎn)等項(xiàng)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,。
htod.siat.ac. cn/index.php/Team/detail.shtml?id=4&cid=11
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