无需活化的蛋白质涂层修饰聚丙烯（PP）珠及其催化与抗菌应用

《RSC Applied Polymers》：Activation-free protein coating of polypropylene beads for catalytic and antimicrobial applicationsOpen Access

　　

聚丙烯（PP）因优异的机械强度、耐化学性、低密度和易加工性而成为广泛使用的热塑性塑料。然而，其由非极性C–C和C–H键主导的化学惰性和疏水表面导致低表面自由能以及表面功能化所需的弱界面相互作用。尽管传统表面改性策略可改善表面性能，但常受若干限制。在本工作中，研究人员将此前开发的一步、无活化蛋白质涂层策略扩展至PP珠。该方法利用经2-亚氨基硫杂环戊烷（2-iminothiolane，2IT）修饰表面暴露氨基而生成的硫醇化绿色荧光蛋白（GFP）。通过考察不同pH（5–11）、离子强度和不同蛋白质条件下PP珠上的蛋白质涂层，评价该涂层策略的通用性。在表面活性剂、还原条件、升温和机械应力下测定涂层稳定性。通过扫描电子显微镜（SEM）分析包覆前后表面形貌，并进行X射线光电子能谱（XPS）测定表面组成。最后，在蛋白质包覆珠上包覆金纳米颗粒（AuNPs）。激光照射下，固定AuNPs的包覆珠表面温度升高（～41 ± 3.5 °C），显示其光热活性。这些珠催化模型污染物还原，平均拟一级速率常数为(17.18 ± 1.44) × 10^?3 min^?1。它们还对Escherichia coli（E. coli）表现出抗菌活性，导致部分抑制（～58%）细菌生长。该工作展示了一种简单且可放大的策略，用于商品化PP珠的蛋白质介导功能化，为催化、吸附和抗菌材料应用提供平台。

研究背景与问题：聚丙烯（PP，一种热塑性聚合物）具有优异机械强度、耐化学性、低密度、热稳定性和易加工性，但其表面主要由非极性C–C和C–H键及侧链甲基构成，化学惰性和疏水性强，表面自由能低，难以进行界面功能化。传统表面改性如冷等离子体、低能电子束、离子束、光接枝、可见光诱导C–H官能化、层层组装等虽可提高亲水性、表面能或粘附性，但常需复杂设备、多步处理，或需预先化学功能化，且可能影响PP本体性能。天然多糖和蛋白质涂层虽无毒、可生物降解、生物相容，但受天然来源可得性限制。基于此，研究人员将此前开发的一步、无活化蛋白质涂层策略扩展至PP珠，以硫醇化阳离子超荷绿色荧光蛋白（GFP）为模型，考察其通用性、稳定性及功能应用。该研究得出，硫醇化蛋白可在PP珠表面形成稳定涂层，并可固定AuNPs，赋予光热、催化和部分抗菌功能；其意义在于为商品化PP珠提供简单、可放大、环境友好的蛋白质介导功能化平台，面向催化、吸附和抗菌材料。

关键技术方法（不超过250字）：关键方法包括以(+36)GFP为模型蛋白，与2-亚氨基硫杂环戊烷（2IT，一种硫醇化试剂）在CAPS缓冲液（pH 11）中于37 °C处理PP珠12 h，形成无活化蛋白质涂层，并以无2IT及聚乙烯（PE）珠为对照；用扫描电子显微镜（SEM，用于表面形貌）和X射线光电子能谱（XPS，用于表面元素与化学态）表征；在pH 5–11、离子强度0–4 M及不同蛋白质条件下评价通用性，在表面活性剂、还原剂、45/60 °C、水、超声和切割条件下评价稳定性；以Turkevich法合成AuNPs并吸附，以532 nm激光和红外相机测光热；以对硝基苯酚（p-nitrophenol）还原测催化动力学及4次循环；以E. coli菌落形成单位（CFUs，用于活菌计数）分析抗菌。未涉及样本队列。

研究结果：
**蛋白质包覆PP珠的构建与表征**：将(+36)GFP、2IT与PP珠反应后，PP珠在紫外透射仪下呈绿色荧光包覆，无2IT对照无荧光，PE珠在两种条件下均无荧光。SEM显示未处理PP珠表面无特征；仅蛋白对照局部不均，可能为蛋白聚集体沉积；包覆珠呈纤维状网络并形成连续结构。XPS显示未包覆PP以C 1s为主，无N 1s，仅有弱O 1s；包覆后出现401 eV的N 1s峰，指示酰胺键，且O 1s增强，证实蛋白质修饰。

**物理化学性质对蛋白质包覆的影响**：在pH 5–11范围内，绿色荧光包覆仅在pH 8及以上出现；PE珠在任何pH下均无可见包覆。离子强度0–4 M内包覆效率无明显变化。带正电的(+28)GFP和(+15)GFP可在PP珠形成荧光包覆且对照无包覆；带负电的(?6)GFP和(?30)GFP在PP珠、PE珠及对照中均无荧光包覆。牛血清白蛋白（BSA）和mCherry可在PP珠包覆，PE珠无；色蛋白pIDMv5K-Yellow和pIDMv5K-Red在PP珠仅见极少吸附，PE珠无可检测吸附或包覆。作者据此提出假设：PP中的甲基形成疏水结构域，作为经胺转硫醇后疏水性增加的蛋白的锚定位点，硫醇化蛋白先经疏水作用吸附并成层；PE虽疏水但线性骨架缺乏可作为锚定点的官能团，故无稳定包覆。

**包覆后稳定性**：在1 mM CTAB、SDS和Triton X-100中，包覆部分去除，荧光减弱；作者认为带电表面活性剂可与蛋白相反电荷暴露区域作用，非离子Triton X-100可能破坏硫醇化蛋白与PP表面的疏水作用。β-巯基乙醇和DTT处理导致涂层消失，可能与蛋白变性有关。45 °C和60 °C处理导致荧光涂层损失，可能与热变性有关；水中24 h荧光无明显变化，显示良好水相稳定性；多数条件下7天仍稳定，Triton X-100处理例外。浴式超声导致约48%荧光损失；切割后内表面荧光极少，说明涂层主要局限于珠外表面。

**AuNPs吸附与光热活性**：蛋白包覆PP珠与未包覆PP珠均可吸附AuNPs，但包覆珠上分布更致密、更均匀；XPS检测到Au 4f峰及Na 1s信号，包覆样品Na 1s增强。AgNPs在原始和未包覆PP珠上无沉积，在蛋白包覆PP珠上沉积但不均匀；金纳米棒未显示固定化。532 nm激光照射15 min后，固定AuNPs的包覆珠温度升至～41 ± 3.5 °C，未包覆但载AuNPs的对照升至～30 ± 1.01 °C；原始PP珠和仅蛋白包覆无AuNPs者分别约～29 ± 1.1 °C和～32 ± 0.9 °C，说明升温来自AuNPs。

**催化活性**：固定AuNPs的包覆珠在60 min内催化p-nitrophenol还原为p-aminophenol；原始PP、仅蛋白包覆和PP+AuNPs对照催化活性可忽略；同一珠可重复使用4个循环，平均拟一级速率常数为(17.18 ± 1.44) × 10^?3 min^?1。

**抗菌活性**：未包覆PP珠为(3.58 ± 0.35) × 10⁷ CFUs，固定AuNPs的蛋白包覆珠降至(1.51 ± 0.15) × 10⁷ CFUs，约减少58%，差异显著（p < 0.003）；原始PP和仅蛋白包覆无AuNPs者呈密集菌苔，无明显抗菌活性。显微观察显示两种表面均有细菌黏附，说明抗菌评价需结合CFU计数；结果支持固定AuNPs导致部分抑制细菌生长。

讨论总结：作者将包覆选择性归因于PP甲基形成的疏水结构域与硫醇化蛋白疏水作用，PE缺乏相应锚定官能团；表面活性剂、还原剂和高温导致部分或完全失稳，分别与电荷作用、蛋白变性和热变性相关；水相稳定、超声和内表面荧光少支持涂层主要位于外表并具一定机械稳定性。AuNPs在包覆珠上分布更致密，可能与蛋白层中未反应胺基有关；AgNPs仅在包覆珠沉积。抗菌结果与AuNPs内在抗菌活性一致，Rai等报道抗菌活性具浓度和时间依赖性，Gouyau等报道AuNPs仅部分抑制E. coli生长（约20%），本研究亦为部分抑制。总体意义是提供简单、可放大、环境友好的蛋白质介导PP珠功能化策略。

研究结论翻译：研究人员已成功使用无活化方法，通过阳离子超荷绿色荧光蛋白（(+36)GFP）的硫醇化对聚丙烯（PP）珠进行表面包覆。该过程使(+36)GFP与2-亚氨基硫杂环戊烷（2IT）在37 °C反应12 h，从而促进其附着于PP珠；通过紫外透射仪观察包覆PP珠予以确认。以聚乙烯珠进行的对照实验未显示可见包覆，表明该过程对PP具有选择性。蛋白质涂层进一步在多种物理化学条件下评价，包括pH（5–11）、离子强度（0–4 M）及不同蛋白质[(+28)GFP、(+15)GFP、(?6)GFP、(?30)GFP、BSA、mCherry、pIDMv5K-Yellow和pIDMv5K-Red]。包覆反应在pH 8及以上发生，并在所研究离子强度全范围（0–4 M）内保持。此外，超荷蛋白可见有效包覆，而带负电蛋白在相同条件下未显示包覆。包覆后稳定性在表面活性剂（CTAB、Triton X-100和SDS）、还原剂（β-ME和DTT）、升温（45 °C和60 °C）、水及机械应力存在下研究。表面活性剂存在时荧光涂层部分损失，还原剂导致涂层完全损失；升温亦导致珠上涂层损失；然而，涂层在水中保持稳定。此外，超声导致涂层荧光强度降低48%。SEM图像显示珠上纤维状蛋白层，对照则无；X射线光电子能谱分析显示N 1s和O 1s信号增强，验证PP珠上蛋白质存在。这些包覆珠与金纳米颗粒（AuNPs）孵育12 h，XPS确认其吸附。载AuNPs的珠经532 nm激光照射15 min，显示其将吸收光子转化为热的能力，总温度升至42 °C。该珠还表现催化p-nitrophenol转化为p-aminophenol的活性，并可多循环使用。最后，评价AuNP包覆珠的抗菌活性，显示部分抑制细菌生长。这些结果表明，蛋白质介导涂层为功能化商品化PP珠提供了简单、可放大且环境友好的策略。