接枝聚合物微观链构象及其抗蛋白质吸附机理的模拟与实验研究

Grafting hydrophilic polymers onto the surface of biomedical polymer materials is an effective way to resist protein adsorption. The protein resistance of the grafted polymers highly depends on their micro chain conformations. The study of the effect of micro chain conformation of grafted polymers on protein adsorption behavior can not only offer deep understanding of protein adsorption mechanism, but also can provide instructive information for designing polymer materials with protein resistance. In this project, Monte Carlo simulation and experimental methods such as the Quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D) are employed to investigate the protein adsorption behavior on the surfaces grafted with different polymers. We will mainly explore the effects of various factors such as the grafting density, the interactions between grafted polymers and proteins, and between grafted polymers and substrate, on the micro chain conformation of grafted polymers and the protein adsorption behavior on the grafted polymer surfaces. The purpose is to establish the connection between the micro conformational characteristics of grafted polymers and the protein adsorption behavior and kinetics, to elucidate the influence mechanism of the micro chain conformation of grafted polymers on the protein adsorption behavior, to further clarify the protein adsorption mechanism on different grafted polymer surfaces, and to provide theoretical basis for fabricating polymer materials with excellent protein resistance in practical applications.

在生物医用高分子材料表面接枝亲水性聚合物是提高材料表面抗蛋白质吸附性能的有效方法。接枝材料表面的抗蛋白质吸附性能强烈依赖于接枝聚合物的微观链构象，针对接枝聚合物微观链构象对蛋白质吸附行为影响的研究不仅可以增加人们对蛋白质吸附机理的认识，对设计具有抗蛋白质吸附性能的高分子材料也具有重要指导意义。本项目拟采用Monte Carlo模拟方法并结合石英晶体微天平（QCM-D）等实验手段研究蛋白质在不同接枝聚合物表面的吸附行为。探索接枝密度、接枝聚合物与蛋白质以及与基板间的相互作用对接枝聚合物微观链构象以及蛋白质在其表面吸附行为的影响规律。建立接枝聚合物的微观结构特征与蛋白质吸附行为及动力学过程的内在联系，阐明接枝聚合物微观链构象对蛋白质吸附行为的影响机制，明确不同接枝表面的抗蛋白质吸附机理。为实际应用中合理构建具有良好抗蛋白质吸附性能的表面接枝材料提供理论依据。

在生物医用高分子材料表面接枝亲水性聚合物是提高材料表面抗蛋白质吸附性能的有效方法。接枝材料表面的抗蛋白质吸附性能强烈依赖于接枝聚合物的微观链构象，针对接枝聚合物微观链构象对蛋白质吸附行为影响的研究不仅可以增加人们对蛋白质吸附机理的认识，对设计具有抗蛋白质吸附性能的高分子材料也具有重要指导意义。本项目采用Monte Carlo模拟方法并结合石英晶体微天平（QCM-D）等实验手段研究蛋白质在不同接枝聚合物表面的吸附行为。.（1）采用Monte Carlo模拟方法考察了蛋白质与接枝聚合物之间的氢键相互作用对蛋白质吸附行为的影响。模拟结果表明随着接枝密度的增加，蛋白质吸附量呈先下降后上升的趋势，即体系中存在一个蛋白质吸附量最低的临界接枝密度。临界接枝密度的存在揭示了蛋白质吸附的两种不同驱动力：当接枝密度高于临界值时，蛋白质吸附的驱动力主要是蛋白质与聚合物刷之间的氢键相互作用；当接枝密度低于临界值时，蛋白质吸附的驱动力主要是蛋白质与疏水性基底之间的疏水作用。值得注意的是，在临界接枝密度下，增加聚合物刷的亲水性反而会导致蛋白质吸附量有所增加，模拟结果表明这主要是由于亲水性的增加导致聚合物链构象发生了从折叠到拉伸的转变。.（2）采用Monte Carlo模拟方法分别构建了具有线形和环形链构象的两种聚合物刷，通过考察蛋白质分子在这两种聚合物刷表面的吸附行为揭示聚合物刷微观链构象对其抗蛋白质吸附性能的影响。模拟结果表明，从线形到环形的构象变化能够显著提高聚合物刷的抗蛋白质吸附性能。模拟结果还揭示了环形聚合物刷的抗蛋白质吸附机理，即表面粗糙度低以及聚合物刷在基板附近形成的致密的不可穿透层是环形聚合物刷能够抵抗蛋白质吸附的两个重要结构特征。.（3）根据Monte Carlo模拟结果，在实验中分别在金片表面以及高分子材料表面成功地构建出具有环形构象的聚合物刷。通过对比牛血清白蛋白（BSA）、纤维蛋白原（Fib）等蛋白质在与其接枝量相同的线形聚合物刷上的吸附量，实验结果证实了环形聚合物刷的确具有非常优异的抗蛋白质吸附性能，实验结果与模拟结果十分符合。