蛋白質(zhì)吸附綜述2

1、蛋白質(zhì)吸附綜述粟冰冰 摘要：綜述了蛋白質(zhì)吸附的基本理論，包括吸附模型、吸附材料、吸附方式和影響因素；生物植入材料對蛋 白質(zhì)的吸附。在影響因素中重點討論理化性質(zhì)、材料改性對蛋白質(zhì)吸附的影響，植入生物材料重點討 論蛋白吸附與生物相容性的關系。展望蛋白質(zhì)吸附在生物植入材料和水處理兩方面的發(fā)展。關鍵詞： 蛋白質(zhì)吸附 基本理論 植入材料 相容性Abstract :Summarize the basic theory of protein adsorption, including adsorption models, materials, types, influencing factors; the

2、adsorption of biological implant materials to protein. Influencing factors consist of physical and chemical properties, materials modification, biological implant materials focus on the relationship between protein adsorption and biocompatibility.Prospect the development of protein adsorption on bio

3、logical implant materials and water treatment.Key words: Protein adsorption Basic theory Biological implant materials Biocompatibility 蛋白質(zhì)吸附是一個十分普遍但相當復雜的一個問題，特別是在生物植入材料領域。植入材 料在植入生物體內(nèi)后， 在生物體內(nèi)數(shù)秒內(nèi)發(fā)生蛋白吸附。 蛋白吸附的狀況與生物材料的生物相容 性和生物學功能密切相關，因而蛋白吸附在生物材料領域是一個新興的研究熱點。除此之外， 蛋 白吸附在污水處理、生物傳感器、藥物釋放載體、組織工程等方面都有極其重要的

4、作用。 一、蛋白質(zhì)吸附的基本理論1. 蛋白質(zhì)的吸附模型 分子模擬式研究蛋白吸附的一個重要的工具，也是將蛋白吸附現(xiàn)象理論化的一個有效的途徑。傳統(tǒng)的蛋白吸附模型可以分為朗繆爾模型(Langmuirmode)、簡單粒子模型(simple particle mode)、擴散粒子模型(spreading particle mode)三種1，三種模型的精確度遞增。但是，由 于蛋白質(zhì)分子的原子較多， 采用量子化學的方法計算出的模型精確度較低， 而傳統(tǒng)的蛋白吸附模 型在很大程度上依賴量子化學的計算， 因而傳統(tǒng)的蛋白吸附模型相對較為粗糙 (傳統(tǒng)吸附模型如表一)。新提出的固體表面模型 2 考慮所用模型對真實分子和

5、研究體系的再現(xiàn)程度和計算能力， 對蛋白吸附表現(xiàn)最為細致， 但對計算設備要求較高， 一般利用傳統(tǒng)力學場來描述體系中各微粒的 相互作用。除此之外， 常見的還有競爭吸附模型3 ， 其核心理論是競爭吸附平衡。通常在對蛋白 吸附的現(xiàn)實研究中，研究者將各種模型混合使用來得出比較理想、利于計算的蛋白吸附模型。表一吸附模型朗繆爾模型(Langmuir model)簡單粒子模型(Simple particle model)擴散粒子模型(Spreading particle model)假設單層吸附； 吸附表面由離散的、 不相互作用的位點構成；分子被 吸附到表面的能力與其他位點被占 與否無關 粒子吸附的局部范圍界

6、面均一； 吸附質(zhì)不重疊、不相互作用； 局部吸附不可逆蛋白質(zhì)橫向作用通過實心勢實現(xiàn)；蛋白質(zhì)只有兩種狀態(tài)可改變公式d p/d t = Ka .C.(1- p / p O)-Kd.ptA(- U ) pX - p (t) u /( u-1)d p (b)/d t = Ks. p (a). W ab蛋白質(zhì)吸附的表征常用吸附率、吸附厚度等量，這些量可用多種分析研究手段進行測定，如： 橢 圓光度法、熒光光譜法、放射性示蹤法、動力學接觸角法、固體核磁共振法等等。2. 蛋白吸附材料 常見的生物材料可分為金屬生物材料、陶瓷生物材料、高分子生物材料、復合生物材料、 雜化生物材料等。 金屬材料的蛋白吸附過程相對復雜

7、， 蛋白質(zhì)吸附在金屬表面后可能會導致蛋白 質(zhì)變性，在不同的金屬表面及不同的蛋白質(zhì)在不同的環(huán)境下其改變不同， 因而金屬吸附研究困難， 還沒有成熟的研究理論4。高分子吸附常見的材料有基于 PEG的蛋白吸附材料、基于兩性離子 聚合物的抗蛋白吸附材料、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP 、聚乙烯醇(PVA、聚多糖6等。除此 之外，螯合樹脂蛋白吸附模板是一個較熱的研究方向7 。 陶瓷生物材料生物相容性較好， 蛋白吸 附的狀況也相對較好。3. 蛋白吸附方式蛋白吸附方式常見的有物理吸附(共混吸附) 、表面接枝、形成涂層三種8 。物理吸附材 料包括非離子型水溶性均聚物、 兩親性嵌段共聚物、 接枝共聚物等蛋白吸附。 物理

8、吸附工藝簡單、 成本低、適用于大規(guī)模生產(chǎn)。表面涂層( coating )處理材料具有操作簡單、使用方便、表面均 一等優(yōu)點，適用于大面積的蛋白表面吸附。表面接枝可分為“接枝到表面( grafting to )”和“由 表面接枝(grafting from)”兩種方式。二蛋白質(zhì)吸附影響因素1.理化性質(zhì)的影響蛋白質(zhì)的基本組成單元氨基酸結構為 H2N-CHR-COOH,在蛋白質(zhì)的兩端有-COOH和-NH2 因而蛋白質(zhì)能參與一定的化學反應， 受化學試劑的作用而變性； 另外，蛋白質(zhì)是通過氨基酸縮合 成的肽鏈在空間結構上有機的折疊而成, 不同環(huán)境條件會導致蛋白質(zhì)的二級及二級以上的結構發(fā) 生改變,如微粒粒徑、

9、溫度、酸堿度、離子強度等等的影響 9-11 。陶蕊12 , 13等研究的聚乙烯 醇對苯乙烯微球抗蛋白吸附作用就是研究外界條件對蛋白質(zhì)吸附的影響。 所以,外界環(huán)境條件的 控制是影響蛋白質(zhì)吸附的關鍵因素之一, 在蛋白質(zhì)吸附過程中選擇合適的外界環(huán)境條件會大大體 高蛋白質(zhì)吸附的效率。 這不僅在生物植入材料方面需要考慮外界條件, 在生物污水處理、 水的凈 化等方面也是考慮的一個重點。2.材料改性對蛋白質(zhì)吸附的影響2.1材料微觀結構對蛋白質(zhì)吸附的影響對于吸附材料而言, 微觀結構不同, 其對蛋白質(zhì)的吸附能力也有很大的不同, 材料的晶態(tài)、 高分子的共聚、 高分子的交聯(lián)、 兩性結構離子等。 聚異丙烯酰胺基兩性梳

10、狀共聚物預吸附改性聚 苯乙烯后,共聚物表面蛋白吸附量明顯降低14 很好的證明了高分子共聚對蛋白質(zhì)吸附的影響。2.2材料外形對蛋白吸附的影響 材料的外形不同,其對蛋白質(zhì)的吸附能力不同。根據(jù)單層吸附理論,在同等外界條件下蛋 白質(zhì)的吸附量與材料表面積成正比。 纖維樹脂的表面積比膜的表面積比大, 其對蛋白質(zhì)的吸附能 力也較強。在增強薄膜吸附能力的改性試驗中,通常的方法是給薄膜進行接枝 15 , Ulbicht16 對聚丙烯晴(PAN光照接枝，Thom 和Jankova17對a-4-疊氮苯甲?；?3-甲氧基聚乙二醇(ABMPEG采用輻射接枝在一定程度上都增強了材料的表面積比和材料對蛋白質(zhì)的吸附能力。生物

11、植入材料對蛋白質(zhì)的吸附生物植入材料主要考慮其生物相容性、生物學功能、生物毒性，其中生物相容性是生物材 料研究的重點和難點。在生物材料植入體內(nèi)后，生物材料表面在幾秒內(nèi)迅速發(fā)生蛋白質(zhì)吸附，然后在于生物體內(nèi)其他的物質(zhì)接觸。對于血管內(nèi)植入材料，如血管支架等，先與蛋白質(zhì)發(fā)生吸附作 用，然后與血小板發(fā)生作用，材料對蛋白質(zhì)的吸附量越大，其對血小板的吸附作用就越小，材料 的抗凝血性越好18。王春仁19等在生物材料表面血漿蛋白吸附一文中論述了相關機理與問題。 另外，在硬組織生物植入材料表面吸附一層蛋白質(zhì)，植入機體后有利于材料的生物相容性20和 骨組織的生長。血漿蛋白在生物材料的吸附過程中會存在Vroman效應2

12、1，Vroman效應一般采用Langmuir和Freundlich等溫吸附描述22。四展望雖然蛋白質(zhì)吸附在目前還未見系統(tǒng)的研究，也沒有成熟的蛋白質(zhì)吸附的理論，但是蛋白質(zhì) 吸附在生物植入材料的研究領域屬于生物相容性的一個分支，是一個不可回避的問題。隨著生物材料的發(fā)展，生物植入材料成為一個經(jīng)久不衰的熱點，其中生物植入材料的生物相容性是一個研 究的重點，也是目前以至于將來制約生物植入材料發(fā)展的一個重要的問題。只有解決了生物相容性問題，生物植入材料才能得到有效的利用，而解決生物相容性問題的一個很基本的問題就是蛋 白質(zhì)吸附問題。所以，可以預測蛋白質(zhì)吸附問題將會成為生物材料研究領域的一個新興的研究熱 點。

13、另外，吸附是水處理的一個傳統(tǒng)的方法，蛋白吸附也將會為水處理開辟一條新的途徑。參考文獻：1沈嘉煒.生物分子在納米材料表面的吸附及納米孔道中的輸運行為D.浙江大學：浙江大學,2009.2邵慶，陸小華，呂玲紅，江紹毅.蛋白質(zhì)分子與固體表面相互作用的分子模擬J.化工學報， 2009,57（9）: 2005-2011.3F.d GeLi Mr,etc.綜述回收金屬的生物吸附法J.濕法冶金，1997,44: 301-3064嚴洪海.金屬生物材料表面的蛋白吸附的研究方法J.中國口腔種植學雜志，1998,3（2）: 89-935Ama nda, A.;Mallapragada,S.K.Biotech nol.

14、Prog.2001,17,917.6 McArthur,S.L.;Mclea n,K.M.;Ki ngshott,P.;StJoh n,H. A.W.;Chatelier,R.C.;Griesser,H .J .ColloiSurf.B2000,17,37.7 羅正貴，聞荻江.離子吸附分離材料研究進展J.蘇州大學學報（工科版），2004,24 （1） : 55-59.8 馬春風.抗蛋白吸附聚合物的合成與性質(zhì)D.中國科技大學：中國科技大學，2011.9 陳甘.重金屬的生物吸附J.化學工業(yè)與工程，1999,16 （1）: 19-25.10 夏良樹，譚凱旋，鄧帛輝，鄧昌愛，王孟.四種生物吸附劑對鈾的

15、吸附性能研究J.化學工程， 2008,36（2）: 9-12.11 蘆國營，張朝暉，周曉云，洪偉杰，王禧.生物吸附在染料廢水處理中的應用J.化工環(huán)保，2005, 25（6）: 446-450.12 陶蕊，任芳，蔡晴，陳曉農(nóng).聚乙烯醇對聚苯乙烯微球抗蛋白吸附的作用J.中國組織工程研究 與臨床康復，2007,11（31）: 6165-6168.13 陶蕊，馬桓，陳曉農(nóng)，夏宇正，石淑先，焦書科.溫敏梳狀嵌段共聚物對PS微球阻抗蛋白吸附作用的研究J.高分子學報，2007,11： 1009-1015.14 劉娜，鹿浩，吳丙照，裴愛達，魏小飛，陳曉農(nóng).聚（N-乙丙烯基丙酰胺）基共聚物結構對抗 蛋白吸附性能

16、的影響J.中國組織研究與臨床康復，2009,13（33）: 7442-7446.15 卞曉錯，陸曉峰，施柳青.蛋白質(zhì)超濾過程及超濾膜的表面改性研究現(xiàn)狀J.膜科學與技術， 2001,21（4）: 46-51.16 Ulbricht M,MatuschewskiH,OechelA,etal.Photoinduced graft polymerization surface modificationfor thepreparation of hydrophilic and low-protein-adsorbing ultrafiltration membraneJ.JMembr. Sci,1996

17、,（115）:563-572.17ThomV,Ja nkvoa K,UlbrichtM,etal.Sy nthesisofphotoreactivea-4-azidobenzoyl-w-methoxy-poly（ethylene glycol）s and their end-on photo-graftingontopolysulfone ultrafiltration membraneJ.Macromol Chem Phys,1998,（199）:2723-2729.18潘仕榮，周群.醫(yī)用高分子材料表面血漿蛋白吸附對血小板粘附的影響J.中山醫(yī)科大學學報，1989,10（2）: 4-619王春仁.生物材料表面血漿蛋白的吸附J.外國醫(yī)學生物醫(yī)學工程分冊，1995,18（6）: 334-33920喻凱，陳治清.人