The Innovation | 仿生貽貝足蛋白：一種強大的生物醫(yī)用涂層的通用策略

編者薦語：

文中，QSense耗散型石英晶體微天平分析（QCM-D）技術被用于實時分析表面修飾過程和評估涂層的穩(wěn)定性和功能性。 如在將NHS-PEG4-疊氮化物和DBCO修飾的抗菌肽分別結合到PCPA涂層和疊氮化表面時，QCM-D提供了實時的結合量數據。

以下文章來源于TheInnovation創(chuàng)新 ，作者Z Du, F Qiao

構建一種兼具與廣譜材料表面牢固結合力、優(yōu)異機械化學穩(wěn)健性和二次表面功能化能力的多功能通用涂層是一個技術難題。本研究受貽貝黏著斑在惡劣海洋環(huán)境下表現(xiàn)出的與巖石表面具有牢固粘附性能的啟發(fā)，通過設計貽貝足絲蛋白仿生分子，開發(fā)了一種具有“鋼筋混凝土網架結構”的新型通用性多功能粘附涂層。研究結果表明，該涂層不僅具備與多酚涂層相同的廣譜材料表面改性適用性，還因其高度化學交聯(lián)的網絡結構，展現(xiàn)出其他兒茶酚、植物多酚和金屬-酚網絡結構涂層所不具備的excellent機械化學魯棒性。此外，該涂層還擁有更廣泛的功能應用可擴展性，為多用途生物醫(yī)學材料和器件的表面功能化定制提供了一個簡單而有效的工具包。

導 讀

具有良好表面黏附、機械化學穩(wěn)健性和二次改性能力的多功能涂層在生物醫(yī)學領域具有重要的科學意義。這種涂層不僅可以為精確的生物功能設計提供基礎，還能保障生物效應的持久發(fā)揮。然而，將這些優(yōu)勢整合到一個系統(tǒng)中仍然具有挑戰(zhàn)性，限制了研究人員對多功能涂層的探索。因此，發(fā)展堅固的多功能通用涂層具有重要意義。

圖1 圖文摘要

目前的通用涂層技術已被廣泛應用于增強生物材料和器械的生物功能，但傳統(tǒng)技術在結構穩(wěn)定性方面仍存在缺陷，限制了其進一步的發(fā)展與應用。基于此，本研究受貽貝足絲蛋白（Mefp）可以形成堅固粘著斑的啟發(fā)，通過兒茶酚修飾的聚CPA模擬Mefp-5的官能基團和骨架，開發(fā)了一種簡單且通用的偽-Mefp-5（Pseudo-Mefp-5）表面化學策略。polyCPA（PCPA）相互糾纏形成的“類鋼筋混凝土”結構賦予涂層優(yōu)異的機械化學魯棒性，并提供豐富的活性接枝位點，允許精確的表面功能化設計，使Pseudo-Mefp-5通用涂層在多用途生物醫(yī)學應用中顯示出巨大的潛力（圖1）。

相比于堅固的貽貝黏著斑，聚多巴胺（PDA）涂層在稍苛刻的條件下（如超聲波、微酸或堿）表現(xiàn)出有限的機械強度。這與PDA涂層依賴于鄰苯二酚氧化和自聚合形成的低分子量低聚物堆積，形成了一個“類混凝土”結構、缺乏“錨定”低聚物的“骨架狀”網絡有關。而貽貝黏著斑中的Mefp-5是一種含有兒茶酚和胺基團的柔性大分子，可以通過自聚合過程中的交聯(lián)及相互纏繞，提供“類鋼筋混凝土”結構，增強分子間的相互作用力和內聚力。基于此，作者認為“骨架”和官能團的共存對強黏附的實現(xiàn)至關重要（圖2）。

圖2 受貽貝粘附斑塊啟發(fā)的偽Mefp-5表面化學策略

機械化學穩(wěn)定性測試表明，經過serious化學侵蝕以及物理損傷后，相比較于僅模仿Mefp-5的兒茶酚的傳統(tǒng)仿生涂層，Pseudo-Mefp-5通過分子骨架的加入展現(xiàn)出更加穩(wěn)定的性能。作者推測，這是由于PCPA涂層中CPA分子通過分子間的相互交聯(lián)和糾纏形成“類鋼筋混凝土”結構賦予涂層優(yōu)異的機械化學魯棒性（圖3）。

圖3 PCPA涂層的機械化學魯棒性

生物功能表面的持久性對于生物醫(yī)學植入物的長期服役至關重要。通過強酸、強堿、和氧化劑進行處理后，所有結果都表明PCPA涂層實現(xiàn)了牢固的生物分子的強大拴系。進一步證明了涂層穩(wěn)定的結構是抵御化學侵蝕、維持生物分子持久功能效應發(fā)揮的保障（圖4）。

圖4 生物分子二次接枝以及生物功能的長效保持

PCPA涂層的表面胺基團轉化為羧基，從而實現(xiàn)含胺分子（硒代胱胺，SeCA）的共價固定以擴大應用范圍。所得SeCA-PCPA不僅在體外實現(xiàn)血管細胞的生長調控，而且在體內抑制了血栓形成并促進受損血管組織的修復（圖5）。

圖5 PCPA涂層官能團的轉換

作者進一步利用PCPA涂層實現(xiàn)生物分子活性保持更高的生物正交點擊化學平臺的構建。所得ABP-PCPA涂層在體外展示出優(yōu)異的抗菌性能。在體外研究的基礎上，作者還評估了ABP-PCPA引起的炎癥反應。結果顯示ABP-PCPA展現(xiàn)出優(yōu)異的抗感染和促損傷修復能力，能夠減輕炎癥反應（圖6）。

圖6 PCPA涂層表面疊氮化，用于“清潔”分子修飾

總結與展望

綜上所述，該研究報道了一種Pseudo-Mefp-5表面化學策略，用于制造具有機械化學魯棒性的多功能通用涂層。通過鄰苯二酚改性聚CPA模擬Mefp-5的官能團和主鏈，開發(fā)出具有“類鋼筋混凝土”結構的涂層，賦予其出色的機械化學魯棒性以及對摩擦或形變的抵抗力。此外，涂層表面豐富的胺基團可轉化為其他反應性官能團，可實現(xiàn)精確的多功能表面設計。總體而言，本研究提出的Pseudo-Mefp-5表面化學策略為多用途生物醫(yī)學通用涂層的制備提供了一種新的方法。

責任編輯

吳   屏  同濟醫(yī)院

任充華  華南師范大學

原文鏈接：cell.  com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00109-7

本文內容來自Cell Press合作期刊The Innovation第五卷第五期以Report發(fā)表的“Mimicking Mytilus edulis foot protein: A versatile strategy for robust biomedical coatings” (投稿: 2024-03-27；接收: 2024-06-28；在線刊出: 2024-06-29)。

DOI: doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100671

引用格式：Du Z., Qiao F., Tong L., et al. (2024). Mimicking Mytilus edulis foot protein: A versatile strategy for robust biomedical coatings. The Innovation 5(5), 100671.

作者簡介

楊志祿（通訊作者），南方醫(yī)科大學高層次引進人才，特聘研究員/博士生導師，中國生物材料學會科學技術獎一等獎獲得者、廣州南創(chuàng)珠峰醫(yī)療科技有限公司董事會董事。現(xiàn)任國際期刊Smart Materials in Medicine創(chuàng)刊主編、中國科 -協(xié)旗艦刊Research副主編、Bioactive Materials等期刊編委，中國解剖學會血管分會副主任委員，中國生物材料學會康復器械與生物材料分會常務委員等職，入選“global 前2%科學家”榜單。研究方向聚焦心血管生物材料與再生醫(yī)學研究。主持國家自然科學基金--國際(地區(qū))合作與交流、廣東省基礎與應用基礎研究基金--粵港澳研究團隊項目及四川省杰出青年科學基金等省/國 -家-級項目10余項。以通訊/ 一作在包括PNAS，Nature Communications，The Innovation，Advanced Functional. Materials等國際期刊共發(fā)表論文60余篇。獲得授 -權發(fā)明專-利33項，一項血管支架涂層專-利技術以1500萬作價入股實施了轉化，研發(fā)的可降解鎂合金支架進入到產業(yè)化工程和申報檢驗階段。

dghospitallab.zkshare.   com/client/TeamIntroduction/detail/3

王懷雨（通訊作者），中--國 科-學-院深圳先--進技術研究院研究員/博士生導師，國家自然科學基金委優(yōu)秀青年基金獲得者，中國-科-學-院青年創(chuàng)新促進會優(yōu)秀會員，中國生物材料學會康復器械與生物材料分會副主任委員，中國生物材料學會青年委員會委員，中國生物材料學會 先-進制造分會委員，入選“全 -球 -前2%科學家”榜單。先后承擔國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃課題、中國 -科-學-院STS區(qū)域重點等項目。以第-一/通訊作者在The Innovation, Nature Communications、Advanced Materials等學術期刊發(fā)表論文60余篇。

htod.siat.ac.  cn/index.php/Team/detail.shtml?id=4&cid=11

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