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  生物污染 (biofouling) 是指生物活性有機體污染的總稱，其中包括蛋白質、細菌、真菌、藻類、海洋生物等。生物污染對人類生產生活造成了嚴重影響。在船舶航行中，藤壺等海洋生物會附著在船底影響航行速度并且腐蝕船體。在醫療領域，真菌或細菌會粘附在醫療器械表面形成生物膜 (biofilm)，這不僅會造成傳感器性能下降，還會引起組織炎癥和血小板聚集形成血栓等問題。因此，制備抗污染 (antifouling) 涂層具有至關重要的意義。目前，常用的抗污材料是親水性的高分子材料，例如聚乙二醇 (PEG)，兩性離子聚合物、多糖類高分子等。當這些高分子材料處于水相中時，大量水分子與這些聚合物結合形成水化層，在材料表面形成空間位阻，抵御蛋白質分子的吸附。然而，在實際應用中，由于生物污染物成分復雜，抗污染涂層幾乎無法實現零污染。另外，受制于表面化學，這些聚合物通常需要復雜的方法才能接枝到材料表面，這大大限制了其在抗污染材料中的應用。因此，尋找一種綠色簡便、通用高效的方法在多種材料表面制備抗污染涂層具有重要意義。

  針對以上問題，陜西師范大學楊鵬教授團隊提出了利用具有淀粉樣蛋白結構的牛血清白蛋白分子 (bovine serum albumin, BSA) 構筑抗污染涂層。BSA產生于牛的肝臟并大量存在于血漿中，具有保持血液滲透壓等重要功能。此外，BSA也是一種公認的具有抵抗非特異性吸附的分子，經常用做ELISA和其他相關實驗的封閉劑。楊鵬教授課題組之前的工作已經證明BSA可以在二硫鍵還原劑Tris(2-carboxyethyl)phosphine (TCEP) 的作用下發生淀粉樣轉變 (Biomater. Sci. 2018, 6, 836)。而具有淀粉樣結構的BSA具有優異的界面活性，能夠粘附在多種材料表面形成涂層，為制備基于BSA的抗污染涂層提供了基礎。本工作首先系統的研究了BSA與TCEP的反應體系，通過一步法即可在氣-液和固-液界面形成相轉變BSA (phase-transited BSA, PTB) 納米薄膜，該薄膜無色透明，厚度可控且可大面積制備，在高分子、金屬、無機非金屬材料以及異形材料表面均可穩定粘附（圖1）。在淀粉樣轉變過程中，天然BSA轉化為直徑約為30 nm的寡聚體，接著寡聚體可以在氣-液或固-液界面組裝形成富含β-sheet結構的PTB納米薄膜，并且薄膜表面暴露大量官能團。這些在淀粉樣轉變中暴露出的官能團與材料表面的氫鍵、靜電相互作用以及疏水相互作用支持了PTB納米薄膜在材料表面的穩定粘附（圖2）。

圖1  PTB納米薄膜的制備及其基本性質表征。

圖2 BSA與TCEP的反應過程以及BSA的結構變化。

  表面zeta電位表明，PTB涂層的等電點與天然BSA（均為4.7左右）幾乎相同，且其總表面電荷幾乎在零線附近。由此推測，PTB表面帶正電荷和帶負電荷的氨基酸殘基分布接近平衡可能是其具有防污功能的主要原因。與天然BSA相比，PTB涂層顯示出對生物液體混合物（例如牛奶、胎牛血清、細菌裂解液、真菌裂解液和細胞裂解液），蛋白質（例如β-乳球蛋白、纖維蛋白原、人血清白蛋白、刀豆凝集素、溶菌酶和辣根過氧化物酶），以及細胞外基質成分（磷脂、多糖、酯和碳水化合物等）非特異性吸附的優異抵抗力（圖3）。例如，人血清白蛋白在PTB涂層上的吸附量低至0.2 ng/cm²。同時，PTB涂層還可以抵抗細胞、血小板和真菌的粘附以及生物被膜的形成（圖4）。

圖3  通過QCM-D測量的天然BSA或PTB涂層修飾的金芯片和空白金芯片上蛋白質和其他物質的吸附。

圖4  PTB涂層對各種微生物的防污性能。

  PTB涂層在極端條件下處理后的表面形貌和厚度均不變并且保持了有效的防污性能。例如，與天然BSA相比，PTB納米薄膜在經過超聲處理后仍然保持了抵抗細菌生物被膜形成的性能，在經過表面活性劑處理后仍然可以抵抗牛奶的非特異性吸附（圖5）。PTB涂層還具有良好的生物相容性、血液相容性和組織相容性，用于動物體內也可保持高效的防污能力。PTB涂層在小鼠皮下仍具有良好的抵抗生物被膜形成的作用，與空白樣品相比，其金黃色葡萄球菌粘附數目減少90%（圖6）。

圖5 通過各種極端條件處理的PTB納米薄膜穩定性以及抗污能力測試。

圖6 PTB涂層的細胞毒性以及體內防污測試。

  綜上，本工作開發了一種基于類淀粉樣蛋白組裝的新型防污涂層，該涂層制備簡單，原料廉價，生物相容性良好，有望進行大規模的工業化生產，已經申請兩項國家專利（申請號分別為201910189308 .8和201910189300 .1）。以上工作在線發表在材料學期刊《Adv. Mater.》上。共同第一作者為陜西師范大學胡心怡和西安交通大學第二附屬醫院田娟華，通訊作者為陜西師范大學楊鵬教授，陜西師范大學為第一單位。該課題得到了國家自然科學基金委 (nos. 51673112, 21875132) 等項目的資助。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202000128

  Xinyi Hu, Juanhua Tian, Chen Li, Hao Su, Rongrong Qin, Xin Cao, Yifan Wang, Peng Yang*, Amyloid-Like Protein Aggregates: A New Class of Bioinspired Materials Merging Interfacial Anchor with Antifouling, Adv. Mater. 2020, 2000128.

  陜西師范大學化學化工學院楊鵬課題組組建于2012年底（https://www.x-mol.com/groups/yangp），隸屬于應用表面與膠體化學教育部重點實驗室。主要致力于基于蛋白質類淀粉樣組裝的多功能仿生界面材料基礎和應用研究。已在Chem. Rev. (1)、Adv. Mater. (6)、Nature Commun (1)、J. Am. Chem. Soc. (1)、Angew. Chem. Int. Ed. (3)、Adv. Funct. Mater. (2)、ACS Nano (1) 等權威期刊發表綜述和研究論文六十余篇。