霍夫迈斯特效应驱动的单价盐离子配对调控纤维蛋白原纳米纤维干燥组装及其机制研究

本研究针对高盐环境下纤维蛋白原(Fg)干燥组装成纳米纤维的调控机制难题，通过系统性研究单价盐离子配对对纤维蛋白原纤维化的影响，揭示了由霍夫迈斯特系列指导的离子特异性结合规律。研究人员通过原位粗糙度监测、电子显微镜观察、光谱分析和分子动力学模拟等技术，发现钠离子与含氧多价阴离子（如HPO42–）的协同作用可有效引导纤维蛋白原形成致密纳米纤维网络，而二价离子则抑制纤维形成。该研究为理性设计生物材料提供了重要理论依据，对组织工程和创伤修复具有显著意义。

　　

在组织工程和创伤修复领域，纤维蛋白原纳米纤维支架因其与天然血凝块高度相似的结构特征而展现出巨大应用潜力。然而，如何在不使用凝血酶的条件下，可控地制备具有精确形貌和生物活性的纤维蛋白原纳米纤维，仍是当前研究的难点。特别是在高盐环境中，不同离子对纤维蛋白原自组装过程的影响机制尚不明确，这严重制约了高质量纤维支架的可控制备。

为了破解这一难题，来自德国弗劳恩霍夫制造技术与先进材料研究所的Stephani Stamboroski等研究团队在《Biomacromolecules》上发表了创新性研究成果。研究人员通过多学科交叉的研究方法，系统揭示了单价盐离子配对通过霍夫迈斯特效应调控纤维蛋白原纳米纤维组装的分子机制。

研究团队运用了多种关键技术方法：通过原位光学散射传感技术实时监测干燥过程中表面粗糙度(Aq)变化；采用扫描电子显微镜(SEM)和粗糙度映射分析样品形貌；利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析蛋白质二级结构变化；通过X射线光电子能谱(XPS)测定沉淀物化学组成；并运用全原子分子动力学模拟(MD)研究离子-蛋白质相互作用机制。

研究结果显示出丰富的发现：

在"单价盐存在下纤维蛋白原沉淀的改变"方面，通过原位Aq监测发现，盐类和纤维蛋白原发生共沉淀，且不同盐类导致沉淀动力学存在显著差异。氯化钠和氯化钾溶液需要更长的干燥时间，而磷酸盐溶液干燥更快。

在"纤维蛋白原形态和粗糙度变化依赖于干燥过程中存在的单价盐"研究中，SEM分析揭示不同盐类产生截然不同的形态特征：KCl产生光滑表面，NaCl形成局部纤维结构，而Na-PO₄和K-PO₄则生成高度粗糙的精细纤维网络。钠磷酸盐产生的纤维最细（228±49 nm），且分布最均匀。

关于"离子吸收在钠离子中更强且仅在纤维状纤维蛋白原中观察到"的发现，XPS分析显示仅在与钠离子形成的纤维样品中检测到残留钠信号([Na]/[N]约1.2%)，而钾离子和氯离子在洗涤后完全消失，表明钠离子与纤维蛋白原之间存在特异性结合。

在"纤维蛋白原沉淀物的二级结构与纤维形成无关"的实验中，FTIR光谱分析表明二级结构变化与纤维形成没有直接相关性，磷酸盐样品的构象最接近天然纤维蛋白原。

关于"多价阴离子的纤维形成依赖于阳离子/阴离子配对"的研究发现，含氧多价阴离子与钠离子的组合最能促进纤维形成，其中SO₄^2–诱导纤维生成，而草酸盐产生光滑薄膜。Mg²⁺或K⁺与SO₄^2–不形成任何纤维。

通过"纤维蛋白原D结构域与阳离子和阴离子相互作用的MD模拟"，研究人员从分子层面揭示了作用机制：钠离子能够脱离水合壳与蛋白质羧酸根和羰基形成直接、持久的相互作用；磷酸根阴离子同样能直接吸附在蛋白质表面；而氯离子保持完整水合壳，镁离子则主要通过水分子介导与蛋白质间接作用。

研究最终提出了"kosmotropic离子对驱动高盐纤维蛋白原溶液中的纤维组装"的创新理论，建立了二维霍夫迈斯特系列，将离子按照kosmotropic（稳定蛋白质结构）和chaotropic（破坏蛋白质结构）特性进行排序。研究发现kosmotropic阳离子和阴离子的组合（如Na-PO₄)最能促进致密纤维网络形成，而chaotropic离子组合（如MgCl₂)则产生光滑薄膜。

该研究的结论部分强调，纤维蛋白原纳米纤维的组装是由盐类驱动的，并受协同kosmotropic效应调控。分子动力学模拟表明，在纤维蛋白原/水界面存在离子特异性结合，钠离子和磷酸根离子能够形成稳定的直接接触，部分也与蛋白质配对。这种离子对的形成能力与其促进纤维组装的能力密切相关。

这项研究的重要意义在于首次系统阐明了单价盐离子配对通过霍夫迈斯特效应调控纤维蛋白原纳米纤维组装的分子机制，建立了能够指导纤维蛋白原纳米纤维理性设计的二维霍夫迈斯特系列。这不仅为理解蛋白质在高盐环境中的自组装行为提供了重要理论依据，而且为开发新型生物材料提供了可控制的制备策略，在组织工程、创伤修复和再生医学领域具有广阔的应用前景。