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1. 研究目的与意义（文献综述）
1前言
蛋白质，如抗体和酶，通常用于诊断和疾病治疗的识别元素。因此，从复杂样品中选择性识别和分离靶蛋白受到了广泛关注。分子印迹是一种现行有效的技术，以生产特定的结合位点，相对于目标模板分子形成互补的形状，大小。然而因为分子的尺寸，构象的灵活性，溶解性等，印迹蛋白和生物大分子仍然面临着挑战1。聚多巴胺（PDA）涂料具有丰富的多官能团，如胺类、吲哚类、儿茶酚类、醌类等，能与蛋白质分子通过多种力量如氢键、静电吸引和π-π叠加形成高亲和力的区域，近年来在蛋白质黏附与排斥的调节控制越来越受到重视。本文将介绍蛋白质在材料表面吸附的影响因素、聚多巴胺材料表面性质以及聚多巴胺纳米结构界面对蛋白黏附研究进展。
2蛋白质在材料表面吸附的影响因素
蛋白质的非特异性吸附在固体表面通常是不受欢迎的，因为它会引起不良反应，如医疗设备上的血小板粘附、生物传感器的负信号和过滤膜的污染堵塞2。
2.1 热力学影响因素
2.1.1异质表面
蛋白质在材料表面的吸附主要是由蛋白质自身的结构和性质、材料表面的性质以及吸附介质溶液的性质等因素综合影响决定。材料表面影响蛋白质吸附的主要因素包括三个方面：拓扑结构，表面亲疏水性，表面电荷。蛋白质分子因具有不同的疏水/亲水、正电荷/负电荷、极性/非极性特征，其与表面的相互作用主要是静电作用和范德华力3。通过消除这些直接的蛋白质表面相互作用，具有化学变化的异质表面可能在热力学上阻碍蛋白质的吸附。因此，设计和制造蛋白排斥表面是材料科学的一个重要方案。最近的研究表明，具有异质表面(化学和形貌)对蛋白质吸附有很好的抑制作用。
许多亲水表面，如聚乙二醇(PEG)，肝素，聚乙烯醇，多糖等，可以减少非特异性蛋白吸附。我们称这些系统为具有单一类型功能的均质表面。然而，这些均质表面在复杂的生物介质(如血流)中，由于其在脱氢酶、氧和过渡金属离子存在下的易氧化的特点，通常会失去其蛋白抗性。即使在单组分溶液中，细胞粘附蛋白对这些均质表面的吸附也不够低(<5 ng/cm2)，从而导致白细胞粘附。近年来，人们对制造具有异质性质(化学和形貌)的表面来击退蛋白质的研究引起了极大的关注。探索异质表面来击退蛋白质的想法实际上是受到自然方法的启发。例如，由多种两亲分子组成的细胞表面对血液中的蛋白质有很强的抵抗力。细胞膜表面的不均匀性也使得分子识别和生物功能之间的多层次相互作用成为可能。两性离子磷脂是细胞表面的异质性物质之一，具有正电荷和负电荷。与均质表面相比，异质表面在排斥蛋白质方面有三个主要优势2:
(1)异质表面可以产生一定程度增强的蛋白质抵抗性能。
(2)在生理条件下，异质表面可以保持其蛋白抗性长期稳定。
(3)异质表面提供了多功能和/或形态上的变化，以便于在生物系统中与生物分子和细胞相互作用的界面处合成和整合功能。
因此，作为均匀涂层的替代物，异质表面获得了广泛的医疗和海洋应用。
一般来说，具有代表性的蛋白质排斥异质表面可归纳为三类:不同原子上同时带正电荷和负电荷的两性离子表面;同时具有亲疏水相的两亲性涂层;具有不同几何特征的拓扑表面。
2.1.2两性离子的异质性
2.1.2.1电性
由于很多蛋白或生物体都带有电荷,所以材料表面的带电性会影响蛋白的吸附行为。红细胞、白细胞、血小板和绝大多数蛋白质等都带有负电荷,血管壁也是呈负电性（-12mv~-8mv）,一般带有适量负电荷的材料表面由于静电排斥作用可以阻止这些细胞和蛋白质在材料表面的黏附3。对于有均匀电荷的表面，蛋白质的部分区域通过相反电荷的吸引力与表面作用，而有些则不行。蛋白质与均匀带电的表面之间的这种直接静电相互作用导致了离子对的形成和反离子的释放。任何抑制反离子释放的因素，如高盐浓度，都会使具有均匀电荷的表面排斥蛋白质。蛋白质与两性离子表面的相互作用不会由于反离子的释放而导致焓的增加，从而消除了吸附作用。与均匀带电表面不同，两性非均质表面具有相同数量的正电荷和负电荷功能。这种典型的表面(图12)可由带正电荷和带负电荷的分子1:1摩尔混合物或拥有正电荷部分和带负电荷部分的两性离子分子生成。带电时，两性离子异质性保持整体电中性，可以消除直接的静电相互作用，从而排斥蛋白质。使用两性离子表面来击退蛋白质的想法最初是由对红细胞膜的了解而产生的，红细胞膜的负电荷内表面很容易形成血块，而外面的两性离子则不会形成血栓。两性离子异质材料在生物医学领域具有广泛的应用前景，特别是在分子靶向、药物传递和蛋白质治疗等方面。
| 图1 (a)均质负极表面和(b)均质正极表面上通过相反电荷吸引的蛋白质吸附示意图。(c)带正电荷和负电荷官能比为1:1的非均匀带电表面，即在溶液中，两性离子相互作用，而不是与外界物质相互作用，从而潜在地阻止蛋白质的吸附 |
2.1.2.2水化外层
除了平衡电荷，高水化外层也是两性离子表面具有良好的蛋白质拒水性的主要原因之一。分子动力学模拟表明，水分子在两性离子表面的迁移率很低。这些工作支持在两性离子表面附近形成高水化层。蛋白质的吸附需要破坏这种水化屏障，这在能量和动力学上都是不利的。目前，毫无疑问，蛋白质分子表面的水状态和水分子的壳层共同决定了蛋白质表面的惰性。如果水的结构与溶液相似，则蛋白质不需要释放束缚水并取代表面束缚水与表面形成新的界面。
2.1.3两亲性异质性
材料表面的亲疏水性反映了材料表面能的大小。低表面能的非润湿底物会导致蛋白质变性，暴露蛋白质的内部疏水性残基，并阻止被吸附的蛋白质与细胞之间的特定相互作用。在许多情况下，如果没有表面活性剂的帮助就不能轻易地从表面去除蛋白质。与疏水表面相比，亲水表面与水发生良好的相互作用，并在表面上形成水化层，蛋白质在亲水表面的吸附更弱，构象重排更少。吸附蛋白必须突破这一水障与下垫面相互作用，这限制了吸附的总热力学能增益。可以通过调节材料的表面能来最小化血清蛋白的变性，从而导致更好的细胞粘附。细胞粘附的合适范围(35~40 dynes/cm)4。
Lei等5研究了两亲性BCP对纤维蛋白原(FBN)在疏水/亲水非均相表面的吸附行为，两亲性BCP由不同摩尔比的疏水PS和亲水PHEMA块组成，通过改变PS/PHEMA非均质性的表面积比和分布，得到的表面形态从蛋白吸引到蛋白排斥不等。结果发现由多数PHEMA基质包围的少数穹顶状PS结构域表面是蛋白排斥的，揭示了疏水/亲水性的异质性可以影响蛋白质分子从溶液到表面的运输机制。
2.1.4不同几何特征的拓扑表面
材料表面的拓扑结构可以认为是一种阶层结构，包括从原子、分子结构到纳米、微米结构,再到宏观结构。任何表面都具有表面拓扑结构，改变表面拓扑结构可以相应地调节蛋白的吸附与脱附。表面拓扑结构包括表面的粗糙度、孔隙率、孔隙大小及分布、沟槽的尺寸和取向等，会影响材料与蛋白质分子相互作用的面积大小，加上区域位阻和亲和效应等都会影响蛋白质吸附种类和多少。很多研究表明具有表面宏观光滑，微观多相分离结构的材料具有优良的排蛋白吸附效果和血液相容性3。
现有一种排斥蛋白质的方法是建立具有高度拓扑异质性的超疏水表面(图22)。微尺度或纳米尺度粗糙度的突出结构会将空气困在地形特征的凹槽内，从而阻碍蛋白质与表面的接触。水滴只与暴露的突出结构的顶部接触。如果这些突出物是由低能材料制成的，那么水滴就会获得近似球形的形状，以最小化表面能量，并很容易从地形结构上滚下来，
这决定了超疏水表面的非粘附性。
2.2 动力学影响因素
另一方面，非均匀斑块的长度也被认为决定了蛋白质如何与表面相互作用。一个典型的蛋白质的表面积为10-1000 nm2，而蛋白质分子与表面的初始接触面积仅为1-2nm2，这与蛋白质的大小无关2。在初始的相互作用阶段后，蛋白质分子会通过在表面的重组、展开和扩散来增加其接触面积，这被称为高分子吸附动力学的生长盘模型。
Lei等4一项研究表明纳米结构抵抗蛋白质的过程主要是动力学过程，而不是热力学过程。具有比蛋白质分子足迹大数十或数百倍的粘附区域的纳米结构表面仍然表现出蛋白质抗性（图3）。只要在2 d移动前体蛋白质快速移动，他们接受不了足够的重组实现不可逆吸附，最终就会解除吸附。只有随着粘附域内的移动前体的慢化，蛋白才能获得足够的空间/时间进行重组，与表面形成不可逆的相互作用。针对蛋白质吸附动力学控制的纳米结构聚合物涂层的最优修饰是与2D-移动蛋白的特征位移长度相匹配的纳米结构，该长度与蛋白质重组发生的时间有关。这说明在生物材料设计中，应通过界面控制来平衡移动前体蛋白和蛋白与表面的热力学相互作用。询问和操纵二维移动前体蛋白可以有效地指导合理表面的设计，提高生物相容性和生物活性，用于生物应用，如蛋白质纳米阵列、药物输送、生物传感器、蛋白质分离和纯化、生物催化和抗生物降解。
3聚多巴胺材料表面
3.1 多巴胺聚合
多巴胺（DA，3、4-二羟苯乙胺）又名儿茶酚乙胺或羟酪胺，是儿茶酚胺类的一种，分子式为C8H11NO2。水溶液中的多巴胺易被溶解氧氧化聚合，在几乎任何一种固体材料表面形成聚多巴胺（PDA）复合层，因此可以利用新鲜的多巴胺水溶液直接改性基体材料表面6。由于PDA形成机制的复杂性和检测手段的局限性，导致现有文献中提出不同PDA形成机制。根据实验研究和理论推测，物理与化学的共同作用形成机制(图47所示)较全面。首先，上述不同PDA形成过程和机理的最初反应均为DA氧化成多巴胺醌。其次，结合PDA在改性后材料表面形成的膜状及颜色(短时间为黄色，长时间为黑色)，可推测出DA发生了化学交联并按照类似于黑色素的形成路径进行。最后，PDA形成过程中将在溶液表面形成氧化膜，阻碍氧气的进入，因此溶液中可能有部分未聚合的DA分子，为物理自组装过程提供了可能。
3.2 聚多巴胺改性与功能拓展
PDA基材料具有优良的特性，包括通过席夫碱或迈克尔加成反应与含硫醇或胺的物质发生高化学反应，良好的金属配位能力，优异的生物相容性和生物降解性，强猝灭效应，以及优异的光热转化能力。PDA的应用产生了更多的涂层策略并应用到了纳米医学中，例如生物传感、生物成像、癌症治疗和抗菌8。
虽然多巴胺在材料表面超强附着的作用机理还有待于进一步的研究，但已有研究表明，多巴胺对基体材料表面的附着行为来源于多巴胺的邻苯二酚和氨基官能团。聚多巴胺的邻苯二酚和氨基官能团和有机-无机表面建立共价和非共价的相互作用，从而使聚多巴胺交联层强力附着在材料表面上。溶液的pH可以通过影响邻羟基苯结构进一步影响粘接效果。在碱性条件下，邻苯二酚被氧化为醌类化合物，多巴胺在pH= 8.5时具有最高的活性，粘接和交联形成的主要归因于邻苯二酚和邻醌形式的多巴胺之间的反突变反应，如图59。
经过多巴胺涂覆过的材料表面因具有邻苯二酚活性官能团,可以进行二次反应,如配位金属氧化物、接枝聚合酰溴等官能团，或氧化为醌加成含有硫醇(-SH)、氨基(-NH2)或亚氨基(-NH-)功能分子，实现材料表面的进一步功能化，如一些有用的金属离子和放射性同位素可以通过金属离子和PDA的氧原子或氮原子之间的螯合作用固定在PDA膜上，使这些材料具有成像的对比性能或用于癌症的放射性同位素治疗的能力。PDA的这一特性也可用于去除水体中的重金属(Pb2 、Hg2 、Cu2 、Cr6 )。除此之外，药物分子,如阿霉素(阿霉素)。可以附加在PDA表面ππ堆垛或氢键相互作用,从而提供药物输送系统。Fe3O4是PDA表面改性中最常用的金属氧化物之一8。由于Fe3O4的固有磁性，PDA修饰的Fe3O4纳米粒子可以容易地被外部磁场收集和纯化。这些纳米粒子显示出在磁性引导治疗的纳米医学中的潜在应用。Wu等10人制造了尺寸约为50-60纳米的Fe3O4@PDA纳米粒子。这些纳米粒子然后被装载到自然杀伤细胞中。他们用Fe3O4@PDA标记的NK细胞进行了体内实验，表明施加外部磁场可以增强纳米粒子在肿瘤区域的累积并显著抑制肿瘤生长。
此外，PDA涂层使该复合材料具有优异的生物相容性。Wang等11人设计了一种用于胰岛素检测的光电化免疫传感器。该电极由WO3/ CdS/PDA夹层结构组成。CdS纳米颗粒最初沉积在WO3纳米棒上，形成WO3/CdS纳米结构以增加光电流。然后在复合材料上涂上PDA层，制成WO3/CdS/PDA三明治结构。采用PDA包衣能够降低CdS毒性，吸附胰岛素第一抗体。
3.3 聚多巴胺层性质
除此之外，聚多巴胺本身就具有一系列特点。Xi等9采用XPS法测定了聚多巴胺改性PE膜的C1s含量由未改性PE膜的98.2%降至73.8%，O1s含量由1.4提高至20.6%。改性过后的PE膜氧/碳比明显地从0.01增加到0.28。聚多巴胺改性后的膜水接触角明显下降，适量的聚多巴胺可以提高聚乙烯多孔膜的亲水性，降低水通量。在细胞与底物接触时，低表面能的非润湿底物会导致蛋白质变性，暴露蛋白质的内部疏水性残基，并阻止被吸附的蛋白质与细胞之间的特定相互作用。Sook等12认为聚多巴胺是一种多功能的表面修饰剂，可以通过调节材料的表面能来最小化血清蛋白的变性，从而导致更好的细胞粘附。如图6。他们发现未修饰PTFE的临界表面张力(15.9dynes/cm)在聚多巴胺修饰后上升至39.2 dynes/cm，聚多巴胺的临界表面张力升至细胞粘附的合适范围(35~40 dynes/cm)。根据以往的研究，固定化酶对聚多巴胺层的催化活性被完全保留，表明聚多巴胺并没有引起蛋白质结构的改变。PDA含有胺基和酚羟基，使其具有两性或两性离子的潜力。Yu等13研究表明，沉积在金包覆的硅晶片上的PDA对阳离子和阴离子氧化还原活性探针分子都表现出完全可逆和pH可调的选择性。PDA中胺基和酚羟基的pH依赖性变化是独立的离子门，如图7。在pH为11时，栅极通过探测阳离子，但阻碍探测阴离子;在pH为3时，它通过阴离子和阻碍阳离子。
2. 研究的基本内容与方案
聚多巴胺纳米结构界面对蛋白黏附研究进展
蛋白质，如抗体和酶，通常用于诊断和疾病治疗的识别元素。因此，从复杂样品中选择性识别和分离靶蛋白受到了广泛关注。分子印迹是一种有效的技术，以生产特定的结合位点在合成聚合物基体，相对于目标模板分子形成互补的形状，大小。然而因为分子的尺寸，构象的灵活性，溶解性，印迹蛋白和生物大分子仍然面临着挑战1。
含有儿茶酚和胺基的多巴胺(da)在弱碱性介质中通过自聚合作用于载体上，很容易形成薄的表面粘附层。所形成的聚多巴胺分子印迹层具有良好的生物相容性和亲水性，特别适用于蛋白质的印迹和识别。chen等1报告了一种新的磁性二维分子印迹聚合物(2dmips)设计，用于蛋白质的高识别和分离。他们利用在氧化石墨烯fe3o4表面上的pda印迹牛血清白蛋白(bsa)，制备了用于蛋白质高度识别和分离的磁性二维分子印迹材料。在2d fe3o4/go表面的薄薄的pda层保证了对bsa模板蛋白分子的快速吸附和去除。
3. 研究计划与安排
| 序号 | 时间节点 | 任务 |
| 1 | 3.25前 | 上传开题报告和外文翻译 |
| 2 | 5.25前 | 至少完成3次阶段性成果报告 |
| 3 | 5.31前 | 上传最终毕业设计(论文) |
| 4 | 6.8前 | 完成毕业设计(论文)答辩 |
4. 参考文献（12篇以上）
1.chen, f.; zhao, w.;zhang, j.; kong, j.,magnetic two-dimensional molecularly imprinted materials for the recognitionand separation of proteins. phys chemchem phys 2016, 18 (2), 718-25.
2.shen, l.; zhu, j., heterogeneous surfaces to repel proteins. adv colloid interface sci 2016, 228, 40-54.
3.刘晓宇. 两亲嵌段共聚物表面的构建及其与蛋白质、细胞的相互作用. 硕士, 武汉理工大学, 2011.
