基于聚类肽的仿生防冰高分子材料的设计及结构与性能关系研究

Ice crystal formation can be harmful in many areas, such as aerospace, oil drilling, biological medicine, etc. The use of antifreeze material is one of the most effective ways to reduce the crystallization of ice. Natural antifreeze proteins work well but are not cost effective and can introduce additional biohazards. Synthetic antifreeze compounds are widely used but suffered for their low efficiency and toxicity, which limits their application in many fields, especially in biological medicine. Based on our previous research experience and results, herein we propose to introduce a biocompatible and degradable biomimetic material, polypeptoid, based on their highly tunable and precisely controllable structure, to study their antifreeze properties. The effects on ice crystallization by polypeptoids will be investigated and a class of safe and effective biomimetic antifreeze peptoid polymers will be developed. Structure-activity relationships will be studied by evaluating the antifreeze activity. We will try to reveal the antifreeze mechanism, feeding back to improve polymer structure design and preparation, and guide the development of novel efficient biomimetic antifreeze polymer materials. This project will explore new application of polypeptoids and pave a highway to new antifreeze materials development.

液态水在低温结晶形成冰的过程，可以造成很多危害，是航空航天、油田钻井、生物医药等领域急需解决的问题，防冰材料的添加使用是减少冰晶形成的有效途径之一。天然抗冻蛋白防冰效果好但成本太高，且易造成生物污染，因此人工合成的防冰材料成为首选。而目前最为常用的防冰材料存在防冰效果有限、毒性大等缺点，严重影响了其在众多领域，特别是生物医药方面的应用。申请人基于多年聚类肽研究的经验和成果，提出采用聚类肽这种新兴的生物相容性和可降解性高分子材料，利用其结构高度可调且可精确控制的特性，模拟天然抗冻蛋白结构，研究其防冰性能。本项目欲通过研究聚类肽对冰晶生长行为的影响，开发出安全高效的聚类肽仿生防冰高分子材料，并建立聚类肽结构和防冰效果之间的关系，试图理解其防冰作用机理，优化防冰材料的设计和制备，从而为新型高效仿生高分子防冰材料的开发奠定理论基础和依据，在聚类肽仿生应用和防冰高分子材料领域取得新的突破。

液态水在低温结晶形成冰的过程，会造成很多危害，特别是组织器官在低温储存过程中产生的冰重结晶现象会造成冷冻损伤和细胞死亡，从而大大降低其生物活性。天然抗冻蛋白（AFP）具有优异的防冰抗冻性能，然而目前无论在生物体中直接提取AFP还是人工合成AFP模拟物，都具有成本高昂、结构不稳定和生物相容性差等方面的缺陷。其他人工合成的防冻剂存在防冰效果有限、毒性大等缺点，严重影响了其在众多领域，特别是生物医药方面的应用。因此开发出高效低毒的防冰材料仍存在巨大挑战。本项目以具有生物相容性的聚类肽为主要研究对象，利用固相亚单体合成法具有的合成结构多样性及可控性的特点，在类肽侧链引入了不同的亲/疏水性官能团，考察了其对冰晶形貌、结晶温度、冰重结晶抑制活性以及冰晶生长速率等方面的影响，筛选出了防冰效果最好的含有亲水性侧链或疏水性侧链的聚类肽结构。模拟天然抗冻蛋白同时含有亲水基团和疏水基团的结构特点，将亲水侧链和疏水侧链同时引入了聚类肽，利用固相亚单体合成法原子级可控的特点，设计并制备了一系列同时含有亲水基团和疏水基团且基团间距不同的聚类肽，研究了不同序列结构对防冰性能的影响，探讨了聚类肽和水分子特别是冰晶界面的结合位点，初步揭示了聚类肽防冰材料的作用机理。进一步模仿天然抗冻蛋白分子结构特征，将糖引入聚类肽制备出了两亲性含糖聚类肽并考察了防冰抗冻性能。利用溶液开环聚合法和点击化学， 制备出了一系列含有不同聚合度、不同共聚方式、不同糖基结构的含糖聚类肽，总结出了具有良好防冰效果的聚类肽结构的几个关键因素。另外，细胞毒性实验表明，所制备的新型聚类肽防冰材料对细胞无毒，肯定了聚类肽作为生物医用防冰材料的安全性。本研究工作开展顺利，开发出了安全高效的聚类肽仿生防冰材料，通过对比不同聚类肽结构的防冰效果，建立了结构-性能关系，揭示了防冰机理，为新型高效防冰材料的开发提供了理论依据。