分子量和接枝密度对基于磷酸胆碱的两性离子刷中蛋白质吸附的耦合效应

《Journal of Colloid and Interface Science》：Coupled effects of molecular weight and grafting density on protein adsorption in phosphorylcholine-based zwitterionic brushes

摘要

两性离子聚合物刷被广泛用于抑制非特异性蛋白吸附，但其性能同时取决于分子量和接枝密度。合理设计仍然困难，因为这些参数通常被单独考察或用单一构象描述符表示。在此，我们系统地研究了牛血清白蛋白在22种聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)刷状态下的吸附行为，这些刷状态是通过聚多巴胺介导的接枝到方法制备的，该方法能够系统地调节分子量和接枝密度。采用带耗散监测的石英晶体微天平来量化表观吸附质量并追踪界面响应的演化。我们证明，基于磷酸胆碱的两性离子刷上的蛋白吸附表现出多个连续的界面响应。根据在整个设计空间中的粘弹性特征，区分了三种特征响应模式。初始的低耗散模式表现出最强的结构依赖性，并在低分子量区域主导吸附过程。中间的高耗散模式贡献的吸附量相对较少。后期的低耗散模式是几种刷状态的主要贡献来源，主要出现在高分子量区域。总吸附量在整个设计空间中呈非单调变化，最低吸附量约为96 ng cm^?2，出现在中等分子量和接枝密度处，此时初始和后期吸附均受到限制。这些发现表明，聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)刷的抗污性能由多种吸附模式的共同贡献决定，而非对任何单一吸附响应的抑制。

引言

材料表面的非特异性蛋白吸附会引发一系列污损事件，损害生物医学设备、水处理系统和分析界面的性能。[1] 在各种抗污策略中，亲水性聚合物刷已成为一种通用平台，其中两性离子聚合物凭借其强水合能力和卓越的抗污性能代表了当前基准。[2], [3] 代表性的两性离子聚合物如聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)（PMPC）和聚(磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯)（PSBMA）被广泛应用于植入涂层、[4], [5] 电子材料、[6] 膜技术、[7], [8], [9] 和传感界面，[10], [11], [12], [13] 其中其紧密结合的水化层抑制了蛋白-聚合物相互作用，从而最小化污损。[14], [15], [16], [17]

尽管两性离子刷的抗污能力得到广泛认可，但其性能受刷结构强烈影响。[18], [19] 蛋白吸附受接枝密度、[20], [21], [22] 分子量、[23], [24] 刷厚度、[25], [26], [27] 和链间间距等关键结构参数的影响。[28], [29] 这些参数密切相关，因为分子量和接枝密度共同决定了表面覆盖率、链重叠和刷构象。以往研究已分别或联合考察了这些参数，[21], [23], [28] 但在广阔设计空间中系统探索其耦合效应仍十分有限。因此，它们如何共同调控蛋白吸附以及是否存在特定组合在分子量-接枝密度空间内定义低吸附区域仍不清楚。

另一个挑战是，抗污性能通常仅根据总吸附蛋白量来评估。这类终点测量无法揭示吸附在界面如何演化，也无法判断相似的吸附量是否通过不同的界面过程产生。对非离子聚合物刷（如聚乙二醇）的研究表明，蛋白摄取可通过多种吸附途径而非单一均匀过程进行。[30], [31] 复杂的吸附响应也被认为存在于两性离子刷中。[28] 带耗散监测的石英晶体微天平为应对这一问题提供了有力手段，因为它可同时监测耦合质量和能量耗散的变化，从而区分具有不同粘弹性特征的吸附响应。QCM-D越来越多地被用于研究蛋白在功能软界面吸附过程中的演化。[32], [33], [34], [35], [36] 此类研究为吸附过程中蛋白-刷结合的变化提供了见解。[37] 然而，刷结构如何调控这些吸附过程的演化仍未得到充分认识。在系统变化的分子量-接枝密度空间中应用分步解析的QCM-D分析，将阐明刷结构如何在最终吸附量差异之外改变蛋白吸附的演化过程。这种方法将超越基于终点的评估，并建立将刷结构、界面响应演化与整体抗污性能联系起来的框架。

在本研究中，我们系统地研究了分子量和接枝密度对基于磷酸胆碱的两性离子刷上蛋白吸附的耦合影响。通过聚多巴胺介导的接枝到策略，构建了广泛的PMPC刷状态集合，其中这两个参数被系统调节。随后利用QCM-D分析总吸附量和界面粘弹性响应的演化。将这些测量在分子量-接枝密度空间中整合，揭示了特征吸附响应及其对整体抗污性能贡献的结构依赖性变化。这种方法为确定基于磷酸胆碱的抗污界面中的低吸附条件提供了实验依据。

片段

材料

2-叠氮乙基2-溴异丁酸酯（≥95.0%）、MPC（97.0%，含≤100 ppm 4-甲氧基苯酚作为阻聚剂）、CuBr（98.0%）和细胞色素c（Cyt c，≥95.0%）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯市）。2,2′-联吡啶（≥95.0%）、炔丙胺（≥97.0%）、3-羟基酪胺盐酸盐（多巴胺盐酸盐，≥98.0%）、甲醇（≥99.8%）和三(羟甲基)氨基甲烷（≥99.0%）购自东京化学工业株式会社（日本东京）。盐酸（1.0 M）、CuSO₄·5H₂O（≥99.5%），

系统变化分子量和接枝密度的PMPC刷构建

QCM-D传感器上的两性离子刷通过聚多巴胺介导的接枝到方法构建，[7] 该方法允许系统变化分子量和接枝密度。在水溶液条件下，聚多巴胺形成稳定粘附的锚定层，并实现PMPC链的稳定附着而不损害传感器灵敏度。PMPC的分子量通过原子转移自由基聚合调节，接枝密度通过溶剂依赖的叠氮-炔点击反应控制。构象

结论

本研究系统考察了22种PMPC刷状态下分子量和接枝密度对蛋白吸附的耦合效应。总牛血清白蛋白吸附量在M_n-σ空间中呈非单调变化，范围为96至490 ng cm^?2。最低吸附出现在中等分子量和接枝密度处，表明仅增加链长、接枝密度或链重叠并不一定改善抗污性能。

ΔD-Δf

作者贡献

本手稿由所有作者共同撰写。所有作者均已批准手稿的最终版本。

CRediT作者贡献声明

大谷弘人：撰写——初稿、可视化、监督、方法学、形式分析、概念化。大浦真奈美：验证、调查、形式分析、数据管理。吉田朝吹：验证、调查、形式分析、数据管理。栗原悠大：验证、方法学、调查。大柴悠平：监督、方法学、概念化。黑木英典：撰写——审阅与编辑、监督。山口武雄：撰写——审阅与编辑、监督，

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由JSPS KAKENHI资助，项目编号JP25K01561。感谢东京科学研究所开放设施中心材料分析部提供AFM测量服务。

大谷弘人|大浦真奈美|吉田朝吹|栗原悠大|大柴悠平|黑木英典|山口武雄