基于表面力儀的貽貝足絲蛋白粘附機(jī)理研究.pdf

1、生物粘附由于其相對(duì)于傳統(tǒng)人工材料所特有的優(yōu)勢(shì)啟發(fā)人們廣泛地開展針對(duì)生物粘附系統(tǒng)的研究，并積極研制各種仿生或受生物啟發(fā)的粘性材料。但是，目前仿生粘附材料的應(yīng)用仍然受到很多限制，例如材料在潮濕環(huán)境中無法保持穩(wěn)定的粘附狀態(tài)。貽貝在高鹽的海水中擁有穩(wěn)定且多樣性的吸附能力，這為人們開發(fā)防水粘性材料提供了一種完美的解決方案。研究表明，貽貝與表面的粘附是直接通過其足絲盤中分泌的足絲蛋白形成的，而這些蛋白所含有的氨基酸殘基—3，4-二羥苯丙氨酸（多巴）

2、在粘附中起關(guān)鍵作用。通常情況下，貽貝足絲蛋白的粘附性能與其中的多巴含量直接相關(guān)。在關(guān)于貽貝粘附的研究中，貽貝足絲蛋白的粘附機(jī)理是最基本的、也是最復(fù)雜的問題，目前仍沒有形成清晰且完整的認(rèn)知。對(duì)于這個(gè)問題的深入探索對(duì)設(shè)計(jì)粘附性能優(yōu)異、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)且環(huán)保的人工粘性材料具有關(guān)鍵意義。
　　本文通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)貽貝足絲蛋白的粘附機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，研究?jī)?nèi)容包括界面貽貝足絲蛋白的粘附機(jī)理，貽貝足絲蛋白與有機(jī)表面的粘附機(jī)理以及多巴-硼酸鹽配合物

3、在貽貝足絲蛋白粘附中的作用機(jī)制三個(gè)部分。實(shí)驗(yàn)方法主要使用表面力儀(SFA)直接測(cè)量在納米尺度下貽貝足絲蛋白與表面之間的粘附能，或蛋白與蛋白之間的內(nèi)聚能，并討論環(huán)境溶液或表面的狀態(tài)對(duì)蛋白粘附特性的影響。
　　界面貽貝足絲蛋白粘附機(jī)理的研究對(duì)象選擇Mytilus edulis貽貝分泌的Mfp-5，該蛋白含有高達(dá)27 mol％的多巴含量。SFA實(shí)驗(yàn)顯示，Mfp-5是目前已知粘附能力最強(qiáng)的貽貝足絲蛋白。在pH2.6環(huán)境中，Mfp-5與云母

4、表面之間的粘附能可達(dá)到-13.7 mJ/m2，Mfp-5與Mfp-5之間的內(nèi)聚能可達(dá)到-2.5 mJ/m2。但是，當(dāng)?shù)鞍字械亩喟捅谎趸啥喟王?，蛋白與云母表面的粘附能力出現(xiàn)急劇下降甚至消失的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Mfp-5與云母表面之間的粘附受蛋白中多巴殘基的兒茶酚基團(tuán)與云母表面的氧原子之間的雙配位基型氫鍵主導(dǎo)，并再次證明貽貝足絲蛋白粘附對(duì)多巴及其兒茶酚結(jié)構(gòu)的依賴性。但是，這種依賴性與多巴的含量不呈嚴(yán)格的正比關(guān)系，蛋白的粘附能力還與粘附

5、發(fā)生時(shí)蛋白的分子構(gòu)象有關(guān)。在蛋白之間的相互作用方面，Mfp-5與Mfp-3之間測(cè)得的粘附能表明Mfp-5在足絲盤中除了直接參與粘附，還是界面蛋白之間的中介。在pH5.5和pH7.5的多巴氧化環(huán)境中，通過長(zhǎng)時(shí)間接觸兩個(gè)Mfp-5分子層均可以發(fā)現(xiàn)強(qiáng)力的內(nèi)聚能，該內(nèi)聚能極可能是由多巴醌介導(dǎo)的蛋白間的共價(jià)鍵交聯(lián)引起的。
　　貽貝足絲蛋白與有機(jī)表面粘附的研究采用兩種化學(xué)特性相異的自組裝單分子膜(SAM)作為表面基底。SFA實(shí)驗(yàn)顯示，在非極性

6、疏水CH3-SAM表面上，三種貽貝足絲蛋白(Mfp-1，Mfp-3和Mfp-5)的粘附能分別在-4 mJ/m2～-9 mJ/m2之間。最強(qiáng)的粘附能出現(xiàn)在疏水側(cè)鏈含量最高的Mfp-3中，而不是多巴含量最高的Mfp-5中。因此，所測(cè)得的粘附能由蛋白中的疏水殘基與CH3-SAM表面上的烷基之間形成的疏水相互作用主導(dǎo)。而且，Mfp-3所具有的更強(qiáng)的粘附力還與其氨基酸序列C端非對(duì)稱地分布有三個(gè)強(qiáng)疏水的色氨酸有關(guān)。此外，首次發(fā)現(xiàn)了表皮蛋白Mfp-1

7、能夠橋接兩個(gè)化學(xué)特性不同的表面，體現(xiàn)了貽貝足絲蛋白粘附良好的自適應(yīng)性。另一方面，在極性親水OH-SAM表面上，貽貝足絲蛋白的粘附能均明顯弱于它們與云母之間的粘附能。這種粘附弱化現(xiàn)象是因?yàn)榈鞍字卸喟偷碾p羥基基團(tuán)與OH-SAM表面上的頭基不匹配，最終只能形成鍵能較弱、瞬態(tài)壽命較短的單配位基型氫鍵。該發(fā)現(xiàn)表明界面的幾何構(gòu)型對(duì)基于多巴的濕粘附有重要影響。
　　多巴-硼酸鹽配合物作用機(jī)制的研究結(jié)果顯示，在含有0.1M硼酸的pH7.5緩沖液中

8、，Mfp-5與云母表面之間存在可逆且依賴于表面接觸時(shí)間的粘附力。當(dāng)環(huán)境pH降至3后，Mfp-5的粘附能力與未經(jīng)歷易氧環(huán)境的狀態(tài)相當(dāng)，未發(fā)現(xiàn)明顯的衰減，說明硼酸鹽與蛋白中的多巴在中性pH環(huán)境中形成的多巴-硼酸鹽配合物有效地抑制了多巴的氧化。通過使用苯基硼酸替換硼酸進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了在pH7.5硼酸鹽緩沖液中測(cè)得的粘附力來自于多巴與云母表面之間的氫鍵。硼酸鹽的這種抑制多巴氧化，并實(shí)現(xiàn)蛋白在易氧環(huán)境中可逆粘附的能力是多巴與硼酸鹽之間快速、