蛋白质吸附综述2

1、蛋白质吸附综述粟冰冰 摘要：综述了蛋白质吸附的基本理论，包括吸附模型、吸附材料、吸附方式和影响因素；生物植入材料对蛋 白质的吸附。在影响因素中重点讨论理化性质、材料改性对蛋白质吸附的影响，植入生物材料重点讨 论蛋白吸附与生物相容性的关系。展望蛋白质吸附在生物植入材料和水处理两方面的发展。关键词： 蛋白质吸附 基本理论 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 蛋白质吸附是一个十分普遍但相当复杂的一个问题，特别是在生物植入材料领域。植入材 料在植入生物体内后， 在生物体内数秒内发生蛋白吸附。 蛋白吸附的状况与生物材料的生物相容 性和生物学功能密切相关，因而蛋白吸附在生物材料领域是一个新兴的研究热点。除此之外， 蛋 白吸附在污水处理、生物传感器、药物释放载体、组织工程等方面都有极其重要的

4、作用。 一、蛋白质吸附的基本理论1. 蛋白质的吸附模型 分子模拟式研究蛋白吸附的一个重要的工具，也是将蛋白吸附现象理论化的一个有效的途径。传统的蛋白吸附模型可以分为朗缪尔模型(Langmuirmode)、简单粒子模型(simple particle mode)、扩散粒子模型(spreading particle mode)三种1，三种模型的精确度递增。但是，由 于蛋白质分子的原子较多， 采用量子化学的方法计算出的模型精确度较低， 而传统的蛋白吸附模 型在很大程度上依赖量子化学的计算， 因而传统的蛋白吸附模型相对较为粗糙 (传统吸附模型如表一)。新提出的固体表面模型 2 考虑所用模型对真实分子和

5、研究体系的再现程度和计算能力， 对蛋白吸附表现最为细致， 但对计算设备要求较高， 一般利用传统力学场来描述体系中各微粒的 相互作用。除此之外， 常见的还有竞争吸附模型3 ， 其核心理论是竞争吸附平衡。通常在对蛋白 吸附的现实研究中，研究者将各种模型混合使用来得出比较理想、利于计算的蛋白吸附模型。表一吸附模型朗缪尔模型(Langmuir model)简单粒子模型(Simple particle model)扩散粒子模型(Spreading particle model)假设单层吸附； 吸附表面由离散的、 不相互作用的位点构成；分子被 吸附到表面的能力与其他位点被占 与否无关 粒子吸附的局部范围界

6、面均一； 吸附质不重叠、不相互作用； 局部吸附不可逆蛋白质横向作用通过实心势实现；蛋白质只有两种状态可改变公式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蛋白质吸附的表征常用吸附率、吸附厚度等量，这些量可用多种分析研究手段进行测定，如： 椭 圆光度法、荧光光谱法、放射性示踪法、动力学接触角法、固体核磁共振法等等。2. 蛋白吸附材料 常见的生物材料可分为金属生物材料、陶瓷生物材料、高分子生物材料、复合生物材料、 杂化生物材料等。 金属材料的蛋白吸附过程相对复杂

7、， 蛋白质吸附在金属表面后可能会导致蛋白 质变性，在不同的金属表面及不同的蛋白质在不同的环境下其改变不同， 因而金属吸附研究困难， 还没有成熟的研究理论4。高分子吸附常见的材料有基于 PEG的蛋白吸附材料、基于两性离子 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，螯合树脂蛋白吸附模板是一个较热的研究方向7 。 陶瓷生物材料生物相容性较好， 蛋白吸 附的状况也相对较好。3. 蛋白吸附方式蛋白吸附方式常见的有物理吸附(共混吸附) 、表面接枝、形成涂层三种8 。物理吸附材 料包括非离子型水溶性均聚物、 两亲性嵌段共聚物、 接枝共聚物等蛋白吸附。 物理

8、吸附工艺简单、 成本低、适用于大规模生产。表面涂层( coating )处理材料具有操作简单、使用方便、表面均 一等优点，适用于大面积的蛋白表面吸附。表面接枝可分为“接枝到表面( grafting to )”和“由 表面接枝(grafting from)”两种方式。二蛋白质吸附影响因素1.理化性质的影响蛋白质的基本组成单元氨基酸结构为 H2N-CHR-COOH,在蛋白质的两端有-COOH和-NH2 因而蛋白质能参与一定的化学反应， 受化学试剂的作用而变性； 另外，蛋白质是通过氨基酸缩合 成的肽链在空间结构上有机的折叠而成, 不同环境条件会导致蛋白质的二级及二级以上的结构发 生改变,如微粒粒径、

9、温度、酸碱度、离子强度等等的影响 9-11 。陶蕊12 , 13等研究的聚乙烯 醇对苯乙烯微球抗蛋白吸附作用就是研究外界条件对蛋白质吸附的影响。 所以,外界环境条件的 控制是影响蛋白质吸附的关键因素之一, 在蛋白质吸附过程中选择合适的外界环境条件会大大体 高蛋白质吸附的效率。 这不仅在生物植入材料方面需要考虑外界条件, 在生物污水处理、 水的净 化等方面也是考虑的一个重点。2.材料改性对蛋白质吸附的影响2.1材料微观结构对蛋白质吸附的影响对于吸附材料而言, 微观结构不同, 其对蛋白质的吸附能力也有很大的不同, 材料的晶态、 高分子的共聚、 高分子的交联、 两性结构离子等。 聚异丙烯酰胺基两性梳

10、状共聚物预吸附改性聚 苯乙烯后,共聚物表面蛋白吸附量明显降低14 很好的证明了高分子共聚对蛋白质吸附的影响。2.2材料外形对蛋白吸附的影响 材料的外形不同,其对蛋白质的吸附能力不同。根据单层吸附理论,在同等外界条件下蛋 白质的吸附量与材料表面积成正比。 纤维树脂的表面积比膜的表面积比大, 其对蛋白质的吸附能 力也较强。在增强薄膜吸附能力的改性试验中,通常的方法是给薄膜进行接枝 15 , Ulbicht16 对聚丙烯晴(PAN光照接枝，Thom 和Jankova17对a-4-叠氮苯甲酰基-3-甲氧基聚乙二醇(ABMPEG采用辐射接枝在一定程度上都增强了材料的表面积比和材料对蛋白质的吸附能力。生物

11、植入材料对蛋白质的吸附生物植入材料主要考虑其生物相容性、生物学功能、生物毒性，其中生物相容性是生物材 料研究的重点和难点。在生物材料植入体内后，生物材料表面在几秒内迅速发生蛋白质吸附，然后在于生物体内其他的物质接触。对于血管内植入材料，如血管支架等，先与蛋白质发生吸附作 用，然后与血小板发生作用，材料对蛋白质的吸附量越大，其对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浆蛋白吸附一文中论述了相关机理与问题。 另外，在硬组织生物植入材料表面吸附一层蛋白质，植入机体后有利于材料的生物相容性20和 骨组织的生长。血浆蛋白在生物材料的吸附过程中会存在Vroman效应2

12、1，Vroman效应一般采用Langmuir和Freundlich等温吸附描述22。四展望虽然蛋白质吸附在目前还未见系统的研究，也没有成熟的蛋白质吸附的理论，但是蛋白质 吸附在生物植入材料的研究领域属于生物相容性的一个分支，是一个不可回避的问题。随着生物材料的发展，生物植入材料成为一个经久不衰的热点，其中生物植入材料的生物相容性是一个研 究的重点，也是目前以至于将来制约生物植入材料发展的一个重要的问题。只有解决了生物相容性问题，生物植入材料才能得到有效的利用，而解决生物相容性问题的一个很基本的问题就是蛋 白质吸附问题。所以，可以预测蛋白质吸附问题将会成为生物材料研究领域的一个新兴的研究热 点。

13、另外，吸附是水处理的一个传统的方法，蛋白吸附也将会为水处理开辟一条新的途径。参考文献：1沈嘉炜.生物分子在纳米材料表面的吸附及纳米孔道中的输运行为D.浙江大学：浙江大学,2009.2邵庆，陆小华，吕玲红，江绍毅.蛋白质分子与固体表面相互作用的分子模拟J.化工学报， 2009,57（9）: 2005-2011.3F.d GeLi Mr,etc.综述回收金属的生物吸附法J.湿法冶金，1997,44: 301-3064严洪海.金属生物材料表面的蛋白吸附的研究方法J.中国口腔种植学杂志，1998,3（2）: 89-935Ama nda, A.;Mallapragada,S.K.Biotech nol.

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