生物材料表面的多尺寸結(jié)構(gòu)與生物系統(tǒng)

生物材料表面的多尺寸結(jié)構(gòu)與生物系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和生物科技的發(fā)展，越來越多的人工材料和材料被廣泛應(yīng)用于人體和生物體。例如，生物測試裝置可以移植材料、織物和其他材料。在這些應(yīng)用中存在兩個基本的科學(xué)問題:細(xì)胞與材料在界面上的相互作用,以及生物分子與材料在界面上的相互作用。在這些方面,生物體系中存在一些獨(dú)特的機(jī)制來解決相互作用的問題,這為生物界面材料的研究帶來了很多啟示［３］。在這些啟示的基礎(chǔ)上,科學(xué)家們從物理和化學(xué)領(lǐng)域里尋找到了幫助［４－５］。例如,在外界刺激存在時,響應(yīng)性聚合物能可逆地改變其物化性質(zhì),基于這種性質(zhì),它們已經(jīng)廣泛地被用作智能涂層和響應(yīng)性生物界面材料,包括藥物控制釋放、生物傳感、生物分離等。從仿生的觀點(diǎn)看,自然界中的生物系統(tǒng)表現(xiàn)出許多獨(dú)特的性質(zhì),首先是利用多重結(jié)構(gòu)效應(yīng)在細(xì)胞外基質(zhì)中控制潤濕性,且更進(jìn)一步影響細(xì)胞外基質(zhì)中蛋白和其他生物大分子在表面的吸附。其次,生物系統(tǒng)通常利用高選擇性的多重弱相互作用(如:氫鍵、親疏水效應(yīng)等)來解決生物分子間相互作用的問題,這一點(diǎn)給生命過程帶來優(yōu)越的可逆性和可調(diào)性。最后則是生物系統(tǒng)中顯著的手性識別機(jī)制。在這些啟示的基礎(chǔ)上,發(fā)展了3個主要的研究方向:納米生物界面材料方向、響應(yīng)性生物界面材料方向和手性生物界面材料方向。這些工作不僅為新型高性能生物材料和器件的開發(fā)提供了新的策略和研究基礎(chǔ),而且在生物體系與人工材料相互作用的基礎(chǔ)研究方面也具有重要意義。1納米特殊表面活性劑1.1葉表面粗糙度結(jié)構(gòu)對浸潤性的影響液體對固體的潤濕是常見的界面現(xiàn)象。作為固體表面最基本的性質(zhì),浸潤性不僅影響著自然界中生物體的種種生命活動［６］,而且在人類的日常生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域扮演著非常重要的角色。影響固體表面浸潤性的因素主要有兩個:一是表面自由能,二是表面微觀結(jié)構(gòu)。一般來說,接觸角θ小于90°的固體表面被定義為親水表面;接觸角θ大于90°的被定義為疏水表面。研究表明［７］,特殊的粗糙結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)表面的浸潤性,從而產(chǎn)生特殊浸潤性,如超親水性(接觸角θ小于10°)和超疏水性(接觸角θ大于150°)。自然界中存在著許多具有特殊表面浸潤性的生物體,如“出淤泥而不染”的荷葉、可以在水面行走的水黽［７－８］等,這些物種提供了很好的模仿和學(xué)習(xí)對象。對荷葉表面的研究表明:材料表面的形貌結(jié)構(gòu)是影響浸潤性的重要因素［６］,這種結(jié)構(gòu)和覆蓋在荷葉表面角質(zhì)層提供的低自由能協(xié)同作用產(chǎn)生接觸角大于160°的超疏水性和小至2°的滑動角,使荷葉表面產(chǎn)生了優(yōu)異的自清潔性和防污性。形貌結(jié)構(gòu)對浸潤性的影響存在多個方面［６］,對靜態(tài)浸潤性而言,主要反映在浸潤性的放大效應(yīng),即能使親水性表面變得更親水,疏水性表面更疏水;另一方面,通過改變?nèi)嗑€的排列模式以及調(diào)整表面的粘附或排斥狀態(tài),形貌結(jié)構(gòu)對浸潤性的動態(tài)方面也產(chǎn)生巨大影響,由此形成了自然界中許多獨(dú)特的浸潤性。例如,蝴蝶翅膀［９］表面微納米結(jié)構(gòu)的定向排列導(dǎo)致了水滴在其上面的單向滾動,這對于保持它們身體干燥至關(guān)重要;水稻葉表面微乳突結(jié)構(gòu)的各向異性排列［８］導(dǎo)致了其各向異性的反浸潤性質(zhì),使水滴很容易地沿著葉脈方形滾落［１０－１１］。這些自然現(xiàn)象啟示人們:可以通過精心地設(shè)計材料的表面微納米結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對表面浸潤性的優(yōu)異控制。1.2掃描電鏡觀察基于自然的靈感,人們利用各種方法,如模板法、光刻法、電化學(xué)沉淀法等,在各種材料表面合成微納米結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)特殊的浸潤性,如超疏水性［１２－１３］、超親水性和各向異性防潤濕性［１４－１５］等［１６－１７］。2003年,孫濤壘等［１８］利用化學(xué)氣相沉積法在具有規(guī)則陣列方柱結(jié)構(gòu)的硅基底上沉積了具有各向異性微結(jié)構(gòu)的陣列碳納米管(ACNT)薄膜,圖1(a)~圖1(c)分別是在間距為20μm、15μm、10μm的硅模板上制備的陣列碳納米管薄膜的掃描電鏡照片。由于特殊的排列方向直接影響了水滴的擴(kuò)散行為,水平ACNT陣列和垂直ACNT陣列在其中分別扮演了親水和疏水單元。硅微柱之間的距離顯著地影響了水平陣列的彎曲程度,并且由于空間的限制導(dǎo)致水平ACNT陣列接觸到水滴的機(jī)會不同。當(dāng)硅柱間距離較大時,水平ACNT陣列是伸直的,因此無法接觸到水滴;當(dāng)距離較小時,水平ACNT陣列向上彎曲,導(dǎo)致其很容易接觸到水滴。結(jié)果表明,超疏水和超親水性可以在僅改變結(jié)構(gòu)參數(shù)而不改變表面自由能的情況下實(shí)現(xiàn)。這項(xiàng)研究工作開創(chuàng)了一個新的利用表面各向異性幾何形貌控制表面浸潤性的方法。1.3基疏水膜的合成和血小板黏結(jié)在生物領(lǐng)域中,浸潤性不僅是決定細(xì)胞外基質(zhì)蛋白和其它生物大分子吸附的重要參數(shù),而且還直接或間接地影響著細(xì)胞和基質(zhì)間的相互作用。此外,動物體內(nèi)的細(xì)胞通常有不同的排列方式,分別對應(yīng)不同的特殊結(jié)構(gòu)效應(yīng),這表明形貌結(jié)構(gòu)也是控制生物機(jī)體功能的一個重要因素。這引導(dǎo)人們把由幾何形貌結(jié)構(gòu)誘發(fā)的結(jié)構(gòu)效應(yīng)和特殊浸潤性引入到細(xì)胞和基質(zhì)間相互作用的研究中,以解決生物體內(nèi)醫(yī)用材料的生物兼容性問題。材料表面的血小板粘附和活化通常導(dǎo)致血液的凝結(jié)和栓塞,這一點(diǎn)決定著人工植入設(shè)備和血液接觸器件在生物體內(nèi)應(yīng)用的成功與否。基于這些考慮,用ACNT作為模板［１９］,用部分氟化聚碳酸氨酯(FPCU)合成一種納米結(jié)構(gòu)薄膜。就像圖2中表現(xiàn)的,FPCU膜表現(xiàn)出超疏水性(CA=(164±1)°),然而相應(yīng)的相同化學(xué)組成的平滑基底上僅僅表現(xiàn)出了正常的疏水性(CA=(109±2)°);在體外血小板粘附實(shí)驗(yàn)中,平滑基底聚合物上表現(xiàn)出了顯著的血小板粘附,并且血小板高度變形且偽足清晰可見,這表明血小板已被活化;然而在納米結(jié)構(gòu)超疏水性膜上,觀測到表面十分清晰且無變形的血小板,通過流式細(xì)胞計數(shù)實(shí)驗(yàn)證明,納米結(jié)構(gòu)超疏水膜基底上的血小板活化水平比平滑基底上的低。這些結(jié)果表明了結(jié)構(gòu)效應(yīng)和超疏水性能顯著地抑制血小板和材料表面的相互作用,并為解決人工材料的血液相容性問題提供了一種有效的方法?；谝陨涎芯?韓東等［２０］進(jìn)一步模擬血管表面制備了聚二甲硅烷(PDMS)表面,它由相互交錯的帶有10nm左右突起的亞微米脊組成。在血小板粘附試驗(yàn)中,他們拿這種表面和其它的表面對比,分別是平滑膜、納米結(jié)構(gòu)膜和亞微米結(jié)構(gòu)PDMS膜。實(shí)驗(yàn)在一個流槽中進(jìn)行,在流槽中有二磷酸腺苷活化的血小板流過。就像圖3中所展現(xiàn)的,盡管純納米結(jié)構(gòu)圖3(b)和純亞微米結(jié)構(gòu)圖3(c)能在一定程度上降低血小板的粘附,但其貢獻(xiàn)畢竟有限,然而在多尺度PDMS膜圖3(d)表面,類似上面報道的ACNT基疏水結(jié)構(gòu)表面,只有極少量血小板粘附在上面,和其它三種膜表面形成鮮明的對比。結(jié)果表明,適當(dāng)表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計對發(fā)展高性能生物兼容性材料［２１］至關(guān)重要。2表面改性對生物實(shí)體行為的影響表面的“微-納米結(jié)構(gòu)”和特殊的浸潤性能顯著影響細(xì)胞和生物分子的行為,但另一個重要問題是如何智能的控制材料的表面性能,從而控制生物實(shí)體的行為。響應(yīng)性表面是一個很好的選擇,因?yàn)樗鼈兛梢栽谕饨绱碳?如:溫度、光照、pH等)下改變其表面的物理化學(xué)性能,這可能應(yīng)用于智能生物界面材料。2.1pnipaam復(fù)合界面的可逆響應(yīng)對于響應(yīng)性材料,由于外界的刺激能使化學(xué)性能發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變,這將有利于表面浸潤性發(fā)生改變。但是,通常情況下,轉(zhuǎn)變范圍有限,不能滿足應(yīng)用的要求。表面“微-納米結(jié)構(gòu)”的放大效應(yīng)是解決這一問題很有前景的途徑?；谶@種觀點(diǎn),課題組［２２］利用表面引發(fā)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(SI-ATRP)的方法,在硅基底表面接枝上具有溫度響應(yīng)性的高分子聚異丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)薄膜,通過控制表面粗糙度,即可在很窄的溫度范圍內(nèi)(25~40℃)實(shí)現(xiàn)超親水與超疏水性質(zhì)之間的可逆轉(zhuǎn)變。通過圖4(a)可知,在光滑的PNIPAAm表面,當(dāng)溫度從25℃升高到40℃時,接觸角能從63°轉(zhuǎn)變到93°。而當(dāng)PNIPAAm表面粗糙度足夠大時,超親水到超疏水的可逆性溫度響應(yīng)轉(zhuǎn)變可以發(fā)生,見圖4(d)。研究表明,這種可逆轉(zhuǎn)變性很難在純納米結(jié)構(gòu)或純微米結(jié)構(gòu)上得到體現(xiàn),分級“微-納米結(jié)構(gòu)”是產(chǎn)生這種效應(yīng)的關(guān)鍵所在,這對于設(shè)計新穎的高性能智能生物界面材料具有重要意義。將響應(yīng)性基底同“微-納米結(jié)構(gòu)”的放大效應(yīng)結(jié)合起來,能使得通過外界刺激而大面積調(diào)整表面浸潤性成為可能。這種智能界面具有優(yōu)異的響應(yīng)性、穩(wěn)定性和可逆性,可作為“開關(guān)”材料在藥物可控釋放、微流體、溫控過濾等方面得到應(yīng)用。借鑒這種思路,其他表面上能得到類似性質(zhì),比如光感的ZnO［２３］和TiO２表面,pH感應(yīng)的DNA薄膜等。因?yàn)槌H水性和超疏水性是浸潤性的兩個極端,這種性能在智能設(shè)備中有著廣闊的應(yīng)用前景。2.2pnipaam鏈生產(chǎn)鏈上的氫鍵作用機(jī)理作為一種溫度響應(yīng)性聚合物,PNIPAAm在低臨界點(diǎn)溶解溫度(LCST)上下能可逆地發(fā)生膨脹和收縮,并伴隨著在水中溶解性的改變。當(dāng)將其接入固體表面后,這種響應(yīng)性能使得濕潤性發(fā)生轉(zhuǎn)變。多級弱相互作用(多重分子內(nèi)氫鍵與分子間氫鍵的轉(zhuǎn)變)是導(dǎo)致材料溫度響應(yīng)的基礎(chǔ)。通過將PNIPAAm分子在“微-納米結(jié)構(gòu)”形成界面,即可在溫度刺激下,將弱的親水性轉(zhuǎn)變成超親水性,將弱的疏水性轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷匦裕郏玻矗?。?5℃下,PNIPAAm鏈跟周圍的水分子將形成分子內(nèi)氫鍵,其結(jié)構(gòu)較疏松,致使親水基團(tuán)暴露出來,產(chǎn)生親水效應(yīng)。在40℃左右,PNIPAAm鏈趨向于同鏈內(nèi)分子形成分子間氫鍵,疏水基團(tuán)暴露,導(dǎo)致膜表現(xiàn)出疏水性。這種氫鍵機(jī)制是高度可逆的,而且可以通過PNIPAAm鏈周圍的氫鍵［２５］環(huán)境來對其進(jìn)行調(diào)整。一方面,通過用親水或疏水基團(tuán)對側(cè)鏈進(jìn)行修飾能顯著改變LCST［２６］,并產(chǎn)生不同的浸潤性響應(yīng)。另一方面,將氫鍵作用單元PNIPAAm同智能聚合物上的強(qiáng)的氫鍵受體或給體結(jié)合在一起,可能會得到意想不到的性能。例如,課題組在2009年［２７］報道過一種雙智能的共聚膜,含有PNIPAAm單元和雙氨基酸單元,這種膜表現(xiàn)出水引導(dǎo)的結(jié)構(gòu)化基底上的超疏水效應(yīng)。這種膜表面起初是親水的,用水處理后能引起顯著的疏水性的增加,膜變?yōu)槌杷?。這種性能與傳統(tǒng)的溶劑響應(yīng)性表面所表現(xiàn)出來的性能有顯著不同,傳統(tǒng)的方法在水處理之后僅能引起親水性的增加。這種原因在于PNIPAAm單元和雙氨基酸單元之間的氫鍵相互作用。智能界面材料另一個設(shè)計趨勢是多響應(yīng)表面,從而更好地控制表面性能。通常情況下,它是通過將多響應(yīng)單元的共聚物接入智能聚合物中來實(shí)現(xiàn)的。例如,將丙烯酸和NIPAAm單元的共聚物接入表面能夠產(chǎn)生對pH和溫度變化的雙響應(yīng)效應(yīng)。丙烯酸、NIPAAm和肉桂酰乙氧基丙烯酸鹽合成的共聚體能對pH、溫度［２８］、離子鍵強(qiáng)度和紫外線產(chǎn)生響應(yīng)。這些響應(yīng)并不是獨(dú)立的,而是可以通過氫鍵、疏水性和極性作用相互影響的,這對于設(shè)計具有特殊生物功能的智能生物界面材料來說意義重大。2.3具有生物分子響應(yīng)性的聚合物膜對于智能表面在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用,很重要的一方面就是去創(chuàng)造新型的生物界面材料,使其能夠?qū)τ谏锓肿雍苊舾小＿@不僅僅因?yàn)樘囟ǖ纳镄》肿釉谏锓磻?yīng)調(diào)控過程中的重要性,如激素、低聚肽、低核苷酸等,也因?yàn)槠湓卺t(yī)學(xué)和生物裝置上具有廣泛應(yīng)用前景。因?yàn)樵谏锵到y(tǒng)中,氫鍵的相互作用對于生物分子的識別和相互作用起到重要作用,這啟發(fā)人們向響應(yīng)性的聚合物系統(tǒng)(例如PNIPAAm系統(tǒng))引進(jìn)特定的功能化單元,從而通過氫鍵的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)生物分子在智能表面的響應(yīng)。設(shè)計了［２９］一種三組分的帶有生物分子響應(yīng)性的共聚物膜(圖5)。在這種膜上,生物分子的識別單元、調(diào)控單元以及功能轉(zhuǎn)換單元通過ATRP(原子轉(zhuǎn)移自由基聚合)結(jié)合在一起。這些單元通過氫鍵的作用,能將表面的生物分子識別轉(zhuǎn)換成宏觀性質(zhì)。基于這個理念,開發(fā)了一系列對于智能聚合物薄膜響應(yīng)的生物分子,一個就是典型的PNI-PBA-TF(p)膜［３０］。在這個體系中,我們使用苯基硼酸基團(tuán)作為核酸識別單元,用苯基硫脲基團(tuán)作為調(diào)控單元,用PNIPAAm作為浸潤性轉(zhuǎn)變控制單元。利用它們之間氫鍵的相互作用,從而使表面的“微-納米結(jié)構(gòu)”效應(yīng)得到放大,以實(shí)現(xiàn)智能聚合物膜上的核酸浸潤性響應(yīng)。正如圖6所示,接觸角在開始呈現(xiàn)為156°的超疏水性,但是后來接觸角的值在0到86°之間呈現(xiàn)超疏水性或疏水性,而這個過程是可逆的,如6(b)中的循環(huán)實(shí)驗(yàn)所顯示的一樣。分子機(jī)理分析顯示能夠通過調(diào)控單元和浸潤性轉(zhuǎn)變單元來對核酸分子進(jìn)行束縛和釋放,即通過控制內(nèi)部氫鍵的相互作用,來改變聚合物鏈的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的浸潤性。同時,也觀察到了膜體積的可逆性改變,這表明了核酸誘使的機(jī)制對于響應(yīng)性浸潤性的控制和PNIPAAm膜表面的溫度響應(yīng)性結(jié)果一致。生物分子的浸潤性和其他性能的表面響應(yīng)性控制可能在生物領(lǐng)域得到更大發(fā)展［３０－３４］。例如,生物小分子能通過調(diào)控智能聚合物表面的性能,進(jìn)一步影響并調(diào)控細(xì)胞和生物大分子的表面的行為,并能被應(yīng)用于生物芯片、生物探測、微流體設(shè)備以及藥物釋放。3手性生物界面材料生命體實(shí)際上是一個典型的多層次手性體系。作為生命體的基本構(gòu)成單元,天然生物分子通常都是手性分子,并表現(xiàn)出高度的手性選擇性。例如,蛋白質(zhì)都是由左旋氨基酸組成,而大多數(shù)糖及其相關(guān)化合物都是右旋的。手性分子識別在許多生物過程中都起著重要的作用,許多生理過程很大程度上受到生物分子手性的影響。這些手性分子通過化學(xué)鍵或氫鍵及親疏水相互作用等組裝形成具有特殊立體構(gòu)象和功能的生物大分子,這些生物大分子進(jìn)一步裝配形成細(xì)胞器、細(xì)胞,乃至組織和器官等更高級的生命體存在形式。相應(yīng)地,生命體的宏觀形態(tài)也表現(xiàn)出獨(dú)特的非對稱特征,并且許多生物及生理過程也與分子的手性密切相關(guān)。這不僅是生命起源研究中的一個重大問題,也啟示人們將手性性質(zhì)帶入生物/材料界面相互作用的研究中,從而發(fā)展出一個新的研究方向———手性生物界面材料。材料的手性性質(zhì)強(qiáng)烈影響細(xì)胞及生物大分子(如蛋白質(zhì)、DNA等)在材料表面的行為,實(shí)驗(yàn)及理論研究表明,立體選擇的氫鍵及親疏水相互作用在其中起著關(guān)鍵的作用。在此啟示下,課題組近年來將此效應(yīng)和響應(yīng)性生物界面材料的研究結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了分子手性性質(zhì)及相互作用向材料界面宏觀性質(zhì)的轉(zhuǎn)變。1994年,Hanein［３５］等人用左旋和右旋酒石酸鈣來研究細(xì)胞在不同晶面上的團(tuán)聚行為。他們發(fā)現(xiàn)粘附的上皮A6細(xì)胞在左旋和右旋晶體的(011)面表現(xiàn)出不同的粘附。經(jīng)過10min的細(xì)胞培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)左旋晶體表面被細(xì)胞密密地覆蓋,而右旋晶體卻沒有發(fā)現(xiàn)相同情況。該結(jié)果揭示了一個有趣的現(xiàn)象:細(xì)胞能夠感受材料表面分子形貌的細(xì)微差別,并且根據(jù)手性表面的不同特征表現(xiàn)出不同的形態(tài)。但是酒石酸鈣在水中是部分溶解的,其晶體表面的晶面相對來說很小。這些缺點(diǎn)極大地限制了實(shí)驗(yàn)過程,也因此不能對其進(jìn)行詳細(xì)研究。在2007年,課題組［３６］用基于自組裝的N-異丁酰-D(L)半胱氨酸(D(L)-NIBC)來研究免疫細(xì)胞在其表面的行為。與酒石酸鈣相比,這種材料具有大表面、高穩(wěn)定性和在不同機(jī)體上易于接枝的優(yōu)勢,對于此類研究是個不錯的選擇。圖7描述了經(jīng)過24h培養(yǎng)的巨噬細(xì)胞在D-NIBC(圖7(a)和圖7(c))和L-NIBC(圖7(b)和圖7(d))所修飾表面上的表現(xiàn)出來的不同現(xiàn)象。一方面,巨噬細(xì)胞在D-NIBC上面的粘附密度小于其在L-NIBC表面的。另一方面,正如圖7(a)和圖7(b)所示,細(xì)胞在這些表面上的形狀也不一樣。在對細(xì)胞的熒光免疫檢驗(yàn)法和流式細(xì)胞儀的研究分析發(fā)現(xiàn),這些細(xì)胞的活性在不同對映體表面也不同。這意味著手性表面材料在很大程度上影響著人工材料的免疫學(xué)機(jī)制,同時也為高性能的生物兼容性材料提供新的途徑。3.1手性材料的材料手性界面現(xiàn)象在自然界中很常見,許多晶體材料存在固有手性或手性晶面。早在1848年,LouisPas-teur通過分離酒石酸鈉銨就得到兩種鏡像結(jié)構(gòu)的手性晶體,如圖8中A所示酒石酸鈣的手性晶體結(jié)構(gòu)。除此之外,手性也能在某些非手性分子組成的晶體中得到體現(xiàn),不具有對稱中心的離心晶體同樣能夠體現(xiàn)出天然的手性界面。譬如,石英是最常見的離心晶體,它具有SiO４四面體的螺旋排列結(jié)構(gòu),而左旋和右旋的結(jié)構(gòu)就決定了這些晶體的手性。此外,離心晶體的若干非鏡像對稱的晶面也能提供手性界面,如方解石和過渡金屬。面心立方(fcc)過渡金屬(如:Cu,Pt,Ni等)具有高度對稱性和非手性散裝結(jié)構(gòu),然而通過修飾金屬晶體,使暴露出金屬表面的扭折位具有高米勒指數(shù),當(dāng)兩邊的扭折位的步長不等時,即具有手性。例如,當(dāng)過渡金屬的(643)晶面通過yz平面反映,即可得到其對映晶面,如圖8中B所示。然而,材料本身的局限性和手性晶體界面的小尺寸很大程度上限制了其更廣闊的應(yīng)用。通過在非手性基底上的手性分子自組裝,即通常所說的手性放大,能夠克服以上缺陷,盡管界面本身非手性,但通過各種方法很容易使之產(chǎn)生手性。當(dāng)手性分子被吸附到界面上后,其手性中心被保留下來且在界面上得到體現(xiàn),如圖8所示。此外,界面上的手性也能由非手性分子產(chǎn)生,即點(diǎn)手性與組織手性。前者由于非手性分子在吸附過程中,分子與界面的反映對稱被破壞而產(chǎn)生,例如,當(dāng)界面充當(dāng)?shù)?個基團(tuán)時,吸附上的前手性分子具有瞬時手性信號,如圖8D所示。后者則由于非手性分子的手性排列而產(chǎn)生,這形成了手性域并破壞了界面的鏡像對稱,如圖8E所示。但是,基于分子本身的固有非手性,產(chǎn)生兩種對映體域的可能性相同,即界面整體仍是非手性的。上述分子吸附產(chǎn)生的手性界面是基于單層自組裝(SAMs)形成的,主要依靠基底與吸附分子之間的相互作用,盡管分子單層自組裝很容易發(fā)生,但往往僅在超薄膜上產(chǎn)生幾納米的厚度,導(dǎo)致界面僅產(chǎn)生相對弱的手性且膜易損壞,這極大地限制了其應(yīng)用。高分子聚合物因其易加工性、生物相容性和組成功能可修整性等,正廣泛地應(yīng)用于生物界面材料,很容易想到,如果重復(fù)單元中具有手性中心,具有特殊結(jié)構(gòu)分子鏈的高分子也能表現(xiàn)出手性?；诖?手性高分子生物界面材料也得到極大發(fā)展,其手性主要來自于主鏈?zhǔn)中耘c側(cè)鏈?zhǔn)中?。大多?shù)天然高分子具有主鏈?zhǔn)中?如:多糖、DNA和RNA,這些高分子主要通過縮聚和開環(huán)聚合得到,然而,由于很難控制在界面上的手性序列的排列,限制了膜的整體手性性質(zhì)。但是,通過表面接枝過程,很容易得到側(cè)鏈?zhǔn)中缘母叻肿颖∧?且由于高分子鏈優(yōu)異的排列性、高密度功能基團(tuán)和優(yōu)異的可控界面性質(zhì)而使之得到廣泛應(yīng)用。2010年,課題組開發(fā)了一種手性側(cè)鏈基團(tuán)的高分子膜系統(tǒng)(如圖8F),L-和D-氨基酸首先與丙烯酰氯反應(yīng)形成L(D)-酰氯化單體,接著通過表面引發(fā)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(SI-ATRP),在溫和條件下即可得到手性高分子膜。與SAM膜相比,SI-ATRP膜中氨基酸單元的手性得到很好保留,而且,該高分子膜的光學(xué)活性由于手性單元的規(guī)則組裝得到極大提升。這種將手性側(cè)鏈引入手性高分子膜的方法為高效手性界面材料提供了極大的應(yīng)用空間。3.2cos-7細(xì)胞毒性變化生物系統(tǒng)與材料界面的相互作用對于研究生物檢測、生化器件、可植入材料等相當(dāng)重要,然而,一個關(guān)鍵問題:這些生物界面是如何參與到生命體的生理活動中的?細(xì)胞是生命體結(jié)構(gòu)和功能的基本單元,生命活動是各種細(xì)胞活動的整體表現(xiàn),而且受到各種生物大分子的誘導(dǎo)與操控,如蛋白質(zhì)、核酸、多糖等,這些過程包括細(xì)胞層面、生物大分子層面和小分子層面。在細(xì)胞層面,課題組在2007年［３６］即采用L-(D)-NIBC來構(gòu)筑手性SAMs,通過巨噬細(xì)胞去研究界面的手性影響。研究發(fā)現(xiàn)巨噬細(xì)胞在L-和D-NIBC表面呈現(xiàn)顯著差別(見圖7)。該工作體現(xiàn)出手性表面可能在有機(jī)體對于異物的免疫響應(yīng)過程成為一個新的影響因素。2010年,課題組［３７］報導(dǎo)了在一系列手形聚合物膜上的細(xì)胞的立體選擇性能力,L(D)-纈氨酸的丙烯酰衍生物作為手性單元通過酰胺鍵連接到非手性的聚合物鏈上,鏈中手性單元的規(guī)則組裝保留了每個對映體的手性,且迅速提升了膜的整體手性。通過在L(D)-纈氨酸膜(L(D)-PV)上培育COS-7細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的吸附、擴(kuò)散、生長和組裝過程在兩種膜上完全不同(見圖9)。在培養(yǎng)開始1h,L-PV膜上的細(xì)胞密度(圖9(a))大于D-PV膜(圖9(b)),24h后,粘附細(xì)胞的形態(tài)差異開始呈現(xiàn),在L-PV膜上細(xì)胞選擇互相連接并擴(kuò)散(圖9(c)),在D-PV膜上則趨向于小擴(kuò)散的單個獨(dú)立(圖9(d)),當(dāng)培育至48h后,在L-PV膜上產(chǎn)生大且高互聯(lián)的二維組裝(圖9(e)),而D-PV膜上細(xì)胞獨(dú)立生長成大團(tuán)簇(圖9(f))。這些結(jié)果預(yù)示了手性表面可能被用于調(diào)控生物界面上的多元細(xì)胞行為。在生物大分子層面,DNA是最重要的生命遺傳物質(zhì),也在多種生命過程中扮演重要角色,如分子內(nèi)信號傳導(dǎo)、蛋白質(zhì)表達(dá)等。由于其良好的線形結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性,在固體表面很容易通過諸如掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)等進(jìn)行觀測。DNA可分為兩類:舒展形和折疊形,其中折疊形利于DNA分子在外界損害下保存其立體結(jié)構(gòu)和基因信息,在活的生命體中,DNA分子主要以高度折疊形存在以表現(xiàn)其生物功能,但同時也以舒展形在基因調(diào)控方面呈現(xiàn)低活性。因此,控制DNA分子的構(gòu)象對于基因調(diào)控及相關(guān)研究至關(guān)重要。2008年,課題組［３８－３９］通過AFM研究了DNA分子在基于L(D)-NIBC的SAM表面上的行為,并采用小牛胸腺的單股DNA(ss-DNA),在確定濃度變化下(約50μg/mL或75μg/mL),ss-DNA分子選擇在L-NIBC表面呈現(xiàn)舒展構(gòu)象,而在D-NIBC表面呈現(xiàn)更多的折疊狀態(tài)。這種相互的立體選擇性進(jìn)一步通過環(huán)狀雙股DNA(ds-DNA)得到證明。2009年,課題組［２９］采用質(zhì)粒pcDNA3進(jìn)行觀測(見圖10),類似地,在L表面,許多DNA分子呈現(xiàn)出舒展構(gòu)象和封閉環(huán)狀或線狀(圖10(a)),但在D表面,DNA分子的數(shù)量極少且僅為粗棒狀,以質(zhì)粒的高度折疊超螺旋的構(gòu)象存在(圖10(b)),即使存在Mg２＋,這種現(xiàn)象依然存在(圖10(c)和圖10(d))。以上結(jié)果預(yù)示了界面的手性將極大的影響DNA分子的構(gòu)象和與界面的相互作用。在小分子層面,了解外消旋混合物中生物分子的手性選擇、富集及高分子化的機(jī)理是研究生命起源的一大挑戰(zhàn),突破點(diǎn)集中在天然礦物的對稱性殘缺這一現(xiàn)象中。天然手性礦物,如石英和方解石能通過在手性界面上的對映體選擇吸收,對氨基酸進(jìn)行手性分離。例如,方解石的對映面(21－31)和(－3－21)體現(xiàn)出對L和D-天冬氨酸約10%的選擇吸收差異性。此外,具有固有手性的金屬表面也很可能用于手性選擇性研究,如Pt電極的手性表面已被用來研究葡萄糖氧化過程中的手性影響,在Pt(643)面上,L-和D-葡萄糖氧化的非對映體過量百分率為60%,而在Pt(531)面上,數(shù)值為80%。3.3界面性質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化生命系統(tǒng)有能力在環(huán)境微小改變的影響下,承受快速、可逆的構(gòu)象轉(zhuǎn)變和化學(xué)變化,通過借鑒生命系統(tǒng)這一優(yōu)異特性,基于響應(yīng)性聚合物膜的刺激響應(yīng)性界面材料已相繼被開發(fā)出來。這種智能材料能在外界刺激下,產(chǎn)生優(yōu)異的物理和化學(xué)響應(yīng),如光照、溫度、pH值、電場和生物分子結(jié)合釋放。作為生物系統(tǒng)中的特性之一,手性識別占據(jù)了大部分的生命過程,也因此為設(shè)計響應(yīng)性生物界面材料提供了新的影響因素。在此過程中,將手性信號傳遞到宏觀性能并引起材料功能的改變是一個大挑戰(zhàn),基于響應(yīng)性聚合物的氫鍵協(xié)同機(jī)理,課題組［４０］開發(fā)了一種三組分的智能共聚物膜來研究界面上手性響應(yīng)的潤濕性改變。其中,二肽單元作為對單糖對映體的手性識別單元,三氟甲基苯基硫脲基團(tuán)作為調(diào)控單元,PNIPAAm網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)作為功能轉(zhuǎn)變控制單元。通過以上單元之間的氫鍵協(xié)同作用,平整基底上的共聚物膜在與糖作用后表現(xiàn)出明顯的接觸角改變(ΔCA),且對D(L)