综述：用于抗生物污染应用的蛋白质基亲水涂层先进技术综述

本综述系统阐述了蛋白质基亲水涂层（PBCs）在抗生物污染领域的创新进展，提出基于分子构效关系的原创分类体系（天然蛋白涂层、相转变蛋白（PTP）涂层、多酚介导蛋白（PMP）自组装涂层），突出其环境友好性、生物相容性及多重抗污机制（水合层屏障、空间排斥等），为下一代可持续抗污技术提供设计策略。

　　

生物污染是指微生物、藻类、软体动物等多种生物在浸没或暴露的固体表面发生非特异性粘附及后续定殖的现象。这种现象普遍存在于海洋设备、医疗器械和食品加工系统中，不仅会降低材料性能、增加维护成本、缩短设备寿命，更在医疗应用中引发感染等严重安全隐患。因此，开发高效且环境友好的抗污染涂层已成为亟待解决的关键挑战。

亲水涂层是抗污染技术的重要组成部分，其通过形成水合表面层，能有效防止蛋白质、细菌及其他污染物的粘附。与传统的抗菌或重金属基涂层相比，亲水涂层具有更优异的生物相容性，且环境风险极低。其在海洋和医疗应用中已展示出的抗污染性能，使其成为当前研究的热点。

蛋白质基涂层是亲水涂层的先进延伸，它利用蛋白质天然的生物功能性和可调性，以增强抗污染性能。这类涂层不仅对蛋白质吸附、微生物附着和生物膜形成表现出强大的抵抗能力，还具有生物可降解性和可持续来源等有益特性。因此，蛋白质基涂层为抗污染应用提供了一种前景广阔的环境友好型解决方案，预计未来将得到更广泛的应用。

生物污染的危害

生物污染是指微生物（如细菌、真菌、藻类）及其代谢产物在材料表面的附着、增殖和微生物膜的形成。这类污染是最难解决的问题之一，影响着生产和日常生活的众多方面，可导致植入医疗器械感染、食品腐败、传感器故障、交通工具腐蚀等重大问题。在医疗领域，生物污染是导管、植入体和手术器械相关感染的主要诱因；在海洋工业中，生物附着会显著增加船舶阻力，导致燃料消耗飙升和温室气体排放加剧；在食品工业中，它则是食源性疾病和产品腐败的根源。

天然蛋白质的优势

天然蛋白质通常来源于可再生生物质，具有高度的生物相容性和环境友好性。与合成聚合物或金属涂层相比，天然蛋白质涂层更易于生物降解，不会造成长期生态负担。蛋白质结构和功能的多样性使其能够通过各种物理化学机制与多种表面相互作用，实现有效且非选择性的表面锚定。此外，其主链和侧链上丰富的亲水基团（如羟基、羧基、氨基）能结合大量水分子，形成致密的水合层，这是抵抗生物分子非特异性吸附的第一道物理屏障。

相转变蛋白（PTP）涂层的定义

淀粉样蛋白最初因其参与多种神经系统疾病而被研究。与其名称相反，淀粉样蛋白与淀粉无关，而是由蛋白质或肽通过分子内和分子间β-片层（β-sheet）相互作用形成的纤维状结构。X射线衍射研究揭示，在淀粉样结构中，定向β-链的间距为4.8 ?，层间距离约为6至12 ?。淀粉样纤维的高纵横比结构、出色的机械强度以及自组装特性，使其在材料科学中受到广泛关注。相转变蛋白（Phase-Transited Protein, PTP）涂层即利用了蛋白质在特定条件下发生构象转变，形成以β-片层结构为主的稳定网络的过程。

多酚介导蛋白（PMP）自组装涂层的定义

多酚是一类天然化合物，其特征是芳香环上连接有多个酚羟基（-OH）。芳香结构提供了高密度的π电子，使其能与各种表面发生π-π相互作用，而酚羟基则有利于氢键形成、金属离子络合以及参与氧化还原反应。多酚在自然界中分布广泛，在榅桲、葡萄、茶叶、柿子和橡木等植物中含量丰富。其固有的粘附性和与蛋白质等生物分子相互作用的能力，使其成为制备功能性涂层的理想介质。多酚介导蛋白（Polyphenol-Mediated Protein, PMP）自组装涂层正是利用多酚与蛋白质之间的多重相互作用（如氢键、疏水作用、共价交联），在表面协同组装形成稳定、多功能涂层的方法。

生物稳定性与抗酶解能力

虽然蛋白质基亲水涂层表现出优异的抗生物污染性能和生物相容性，但其基本结构是肽键，这是蛋白水解酶的天然底物，因此本质上易受酶解降解。在生物环境中，宿主来源的酶（如胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、胃蛋白酶和基质金属蛋白酶）能够识别并切割特定的氨基酸序列，尤其是在暴露且未受保护的区域。这种酶解敏感性可能导致涂层完整性丧失、功能失效，并可能引发不必要的免疫或炎症反应。

结论与展望

本综述重点介绍了蛋白质基亲水抗污染涂层的最新进展，强调了其组成、抗污染机制和潜在应用。这些涂层利用蛋白质固有的亲水性、生物相容性和功能适应性，通过水合层形成、空间排斥和生化相互作用来减轻生物污染。与传统的抗污染策略相比，蛋白质基涂层具有显著优势，包括卓越的生物相容性、环境可持续性、可再生来源以及通过分子设计实现功能多样化的潜力。然而，挑战依然存在，例如在复杂生物环境中的长期耐久性、对各种基材的强附着力以及大规模生产的可行性。未来的发展应侧重于通过混合架构（例如与无机纳米材料或合成聚合物结合）、仿生多功能集成以及先进的加工技术来解决这些限制。最终，这类涂层有望在海洋防污、医用植入设备、食品包装和水处理系统等领域带来革命性的进步。