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excellent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CPA模擬Mefp-5的官能基團和骨架，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,。基于此,，作者認(rèn)為“骨架”和官能團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serious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,、和氧化劑進行處理后，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受損血管組織的修復(fù)（圖5）。

圖5 PCPA涂層官能團的轉(zhuǎn)換

作者進一步利用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CPA模擬Mefp-5的官能團和主鏈,，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可轉(zhuǎn)化為其他反應(yīng)性官能團,，可實現(xiàn)精確的多功能表面設(shè)計?？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: 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“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/ 一作在包括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入到產(chǎn)業(yè)化工程和申報檢驗階段。

dghospitallab.zkshare.   com/client/TeamIntroduction/detail/3

王懷雨（通訊作者）,，中--國 科-學(xué)-院深圳先--進技術(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。

htod.siat.ac.  cn/index.php/Team/detail.shtml?id=4&cid=11

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