蛋白质吸附用静电纺丝纳米纤维材料研究进展

万谦羽,唐海洲,李慧菁,毛 雪*,张 坤*

(1.西安工程大学 纺织科学与工程学院,陕西 西安 710048; 2.西安工程大学 功能性纺织材料及制品教育部重点实验室,西安 710048)

随着社会科技水平的发展和人民生活水平的提高,蛋白质在材料科学、组织科学、生物医学[1]、制药[2]和食品加工[3]各个方面的应用都愈显重要[4,5]。目前蛋白质产品主要通过两种方式获得,一种是直接从天然物中进行提取,另一种是通过生物技术大批量制备蛋白质[6],两种方式均要将蛋白质提取[7]、分离[8]和纯化[9]才能得到目标产物。提取蛋白质的关键在于如何将蛋白质吸附到材料表面。蛋白质吸附是许多生物技术应用的重要过程,不但可应用于药物输送、组织工程和生物医学诊断等,还可应用于修饰特定表面,如将蛋白质吸附在多孔材料表面上可形成蛋白质层,从而显著提高生物医学设备或材料的药用性能。因此,开发高性能蛋白质吸附材料具有重要的研究意义和科学价值。作者简要介绍了蛋白质吸附原理和吸附性能的影响因素,综述了静电纺丝制备蛋白质吸附材料的技术进展,旨在为后续生物医药开发与检测、癌症早筛等生物研究开发高性能蛋白质吸附材料提供重要的思路。

1 蛋白质吸附原理及影响因素

1.1 蛋白质吸附原理

蛋白质分子与材料表面的结合是一个复杂的动态过程,受到许多因素影响,目前没有统一的理论。研究普遍认为,当蛋白质分子与吸附表面接触时,多重的作用力使得接触界面自由能降低,从而使蛋白质分子吸附到材料表面。材料和蛋白质之间的多重作用力主要有范德华力、氢键作用力、疏水作用力、静电作用力等[10-11]。这些作用力和吸附材料表面、蛋白质本身性质及环境因素等密切相关[12]。

1.2 蛋白质吸附的影响因素

影响蛋白质吸附的因素可以分为三大类:蛋白质本身的物理化学性质、吸附载体表面性质及吸附过程环境因素。蛋白质的物理化学性质包括亲疏水性[13]、所携带的电荷[14]、化学组成[15]、相对分子质量[16]等,其中疏水性和携带电荷对蛋白质吸附影响较大。当蛋白质在溶液中被吸附时,其表面疏水基团会相互聚集以避开水,此时的蛋白质更倾向于吸附到疏水吸附材料表面。另外,蛋白质所带电荷也会影响吸附行为,当蛋白质所处溶液pH值大于等电点时,蛋白质携带负电,反之当溶液pH值小于等电点时,蛋白质携带正电,带正电荷的蛋白质倾向于吸附到带负电荷的吸附材料表面上,而带负电荷的蛋白质倾向于吸附到带正电荷的材料表面上。吸附载体的表面性质也会显著影响蛋白质的吸附性能,当吸附载体表面呈疏水性时能更好地吸附蛋白质,因为蛋白质在水溶液中呈现出双亲性,当接触到疏水载体表面时,蛋白质会将疏水性残基暴露出来,迅速吸附到疏水性表面上,以产生疏水相结合力,从而进一步促进了蛋白质的吸附[17]。环境因素包括温度[18]、pH值[19]、溶液浓度、溶液种类[20]。温度会影响蛋白质的活性,从而影响蛋白质的吸附,在蛋白质活性范围内,提高环境温度可促进蛋白质的吸附;在pH值中性或微酸性环境中,蛋白质吸附更强;蛋白质的吸附随溶液浓度增加会呈现先上升后下降的趋势;蛋白质在生理盐水中比在蒸馏水中更易吸附到材料上。综上所述,对于蛋白质吸附材料的研发,不仅要关注吸附材料的性能,还要对蛋白质性能和环境进行探究。

2 静电纺纳米纤维蛋白质吸附材料

静电纺纳米纤维以其比表面积大、孔隙率高[21],纺丝过程可控性好、原料种类丰富且可调性好等特点,在蛋白质吸附领域具有较为明显的优势和广阔的应用前景[22]。目前,静电纺蛋白质吸附纤维材料按照纤维组分可分为无机类、有机类和有机/无机复合类。

2.1 无机纳米纤维蛋白质吸附材料

无机纳米纤维材料包括碳纳米纤维、碳/二氧化硅(SiO2)复合纳米纤维等,这些材料因比表面积大、孔隙率高等特性,在蛋白质吸附应用中发挥着重要作用。FAN G等[23]通过多组分静电纺丝技术、纳米掺杂方法制备了含有SiO2纳米颗粒的聚丙烯腈(PAN)纳米纤维,并采用原位氮化热处理制得具有分级多孔结构的碳纳米纤维,该纤维表现出较好的力学性能,对蛋白质的吸附量为32 mg/g。S.SCHNEIDERMAN等[24]利用阳离子交换化学法对热处理后的PAN纳米纤维表面进行功能化处理,制得具有高容量和高通量的碳纳米纤维,该碳纳米纤维对蛋白质的吸附能力(吸附量高达200 mg/g)比普通碳微米纤维材料提高10倍以上。ZHANG L等[25]研究出一种用于纳米催化和蛋白质吸附的碳-镍负载SiO2(SiO2@C-Ni)纤维膜,采用碳化工艺与溶胶-凝胶法相结合的方法(见图1)[23],将制备出的SiO2纳米纤维放入氢氧化铵、乙醇和蒸馏水中搅拌均匀后,加入多巴胺(PDA)和六水氯化镍,搅拌反应后得到SiO2@PDA-Ni2+膜,经烘干得到SiO2@C-Ni纤维膜,对该膜吸附牛血清白蛋白及其重复利用率进行测试,牛血清白蛋白的最高吸附量为286.5 mg/g且重复利用10次后蛋白质吸附效果没有明显下降。无机吸附材料因表面无特殊官能团,同时也很难化学接枝官能团,仅依靠材料表面孔隙结构无法达到较高的蛋白质吸附效果。

图1 SiO2@C-Ni膜制备流程

2.2 有机纳米纤维蛋白质吸附材料

与无机类蛋白质吸附材料相比,高分子疏水材料(聚氨酯、聚醚砜等)因其分子结构中含有疏水基团,可通过疏水作用力高效吸附蛋白质,也可对亲水性高分子(纤维素、硝酸二乙酸纤维素、壳聚糖、聚丙烯腈、聚乙烯醇、丝素等)纳米纤维吸附材料进行表面化学疏水改性,使得不同类型的静电纺聚合物纳米纤维在蛋白质吸附领域表现出优异的吸附性能。

2.2.1 有机疏水基纳米纤维

携带有疏水基团的有机纳米纤维材料可直接应用于蛋白质吸附。Y.MORITA等[26]利用静电纺制备出聚氨酯纳米纤维膜,并研究了吸附在薄、厚纳米纤维膜上的蛋白质的构象和活性的情况,研究发现:吸附在薄纳米纤维上的蛋白质因接近自然形态而表现出较高的活性,为今后蛋白质吸附材料的研究提供了一种方法;在有机疏水材料表面进一步接枝疏水基团会增加蛋白质的吸附性能。MA Z W等[27]制备出利用汽巴蓝F3GA染料化学改性的聚醚砜膜,并将白蛋白(A)和球蛋白(G)功能化处理到该膜上,发现该膜可对蛋白质进行快速小规模的吸附分离,表现出对G的高特异性结合吸附(可达4.5 mg/cm3)和低的非特异性蛋白质吸附性能,重复使用10次后吸附性能不受影响。

2.2.2 有机亲水基纳米纤维

有机亲水材料因具有良好的生物相容性及表面极性基团易化学改性的优势而被广泛应用于蛋白质吸附领域。但有机亲水纳米纤维直接用于蛋白质吸附时,其吸附量较低,因为蛋白质的吸附主要依靠离子或静电作用力、疏水作用力等,通常需要通过接枝改性技术对有机亲水基底进行优化处理引入疏水基团或者离子,实现其蛋白质吸附性能的显著提升。吸附改性剂包括活性染料类、有机酸盐类、酸酐类、生物分子类、离子交换配体类及硝化类等。

(1)活性染料类

汽巴蓝F3GA、活性绿19等染料中含有丰富的疏水基团—SO3-,将其接枝在材料表面时可大量吸附蛋白质。ZHANG H T等[28]利用汽巴蓝F3GA染料和壳聚糖化学接枝改性处理,制备出聚丙烯腈(PAN)纳米纤维双层仿生膜,即先用酸溶液处理静电纺制得PAN纳米纤维,再以戊二醛溶液作催化剂将壳聚糖处理到PAN纳米纤维膜表面上,最后将汽巴蓝F3GA作为配体共价固定在壳聚糖表面制备出纳米纤维双层仿生膜,该纳米纤维膜对菠萝蛋白酶表现出很高的吸附能力,最高吸附量可达161.6 mg/g。CAI D等[29]制备出活性绿19染料固定化的改性壳聚糖纳米纤维膜(P-COOH-CS-RG19),首先对静电纺PAN纳米纤维膜进行热碱处理,随后利用壳聚糖进行化学接枝处理,最后利用活性绿19染料将纤维膜固定化处理形成P-COOH-CS-RG19,并描述其溶菌酶吸附原理,因纤维膜上被引入大量的—SO3-,显著增强了其对蛋白质的吸附性能,当偶联壳聚糖溶液pH值为6和壳聚糖质量分数为0.5%时,该纤维膜对溶菌酶的吸附量可达1 293.66 mg/g。

(2)有机酸盐类

3-磺基苯甲酸钠中含有—SO3-和—CH3等疏水性基团,接枝到材料表面,可大幅提高材料吸附效果。ZHOU Y等[30]先将蚕茧处理成丝素,再将丝素和醋酸纤维素配成溶液,经静电纺丝制备成丝素蛋白/纤维素共混纳米纤维膜(SCBNM),再用3-磺基苯甲酸钠和1-(3-二甲基氨丙基)-3-乙基碳酰亚胺溶液对SCBNM进行化学改性处理得到3-磺基苯甲酸钠改性丝素/纤维素共混纳米纤维膜(S-SCBNM),该功能化的S-SCBNM表现出超薄纤维直径(148 nm)、快速吸附平衡(4 h达到吸附动态平衡)、优异的吸附容量和良好的重复使用性能(10次),尤其是对带正电荷的蛋白质(溶菌酶),吸附量可高达636 mg/g,显著高于用3-磺基苯甲酸钠和1-(3-二甲基氨丙基)-3-乙基碳酰亚胺溶液对丝绸处理后的S-丝绸的蛋白质吸附量(191 mg/g)。

(3)酸酐类

马来酸酐可引入强极性反应基团来改善材料的相容性。MA J C等[31]利用马来酸酐对纤维素纳米纤维膜进行功能化修饰,该纳米纤维膜表现出良好的蛋白质动态吸附(吸附量高达160 mg/g)、快速吸附平衡(12 h达到吸附动态平衡)和良好的重复使用性能(10次)。LV H等[32]将静电纺丝技术与接枝共聚交联相结合,原位合成了马来酸酐接枝聚乙烯醇(PVA)水凝胶纳米纤维膜,该纳米纤维膜比表面积大,可以提供许多可用的与生物分子相结合的位点,对溶菌酶表现出多种优异的吸附性能,吸附量最高可达170 mg/g,且在8 h可达到吸附平衡,此外该功能化纳米纤维膜还具有优异的耐酸性能、良好的重复使用性能(10次)。为了进一步提高吸附效果和速率,WANG X L等[33]通过原位接枝聚合和静电纺丝技术制备出PVA/马来酸酐共混纳米纤维膜,该膜具有大表面积与体积比、高曲折的多孔结构等优势,可以提供丰富的蛋白质结合活性位点,与未处理的PVA膜相比,纳米纤维膜表现出良好的吸附性能,尤其是具有更高的溶菌酶吸附能力(177 mg/g)、更快的吸附平衡(4 h达到吸附动态平衡)、高效的动态分离性能和良好的重复使用性能(10次)。

(4)其他

将生物分子接枝到吸附材料上可令材料获得特异性吸附。MA Z W等[34]开发了可纯化免疫球蛋白G的纤维素纳米纤维膜,首先经热碱处理静电纺丝醋酸纤维素纳米纤维制备出纤维素纳米纤维膜,然后利用高碘酸钠氧化处理,通过化学接枝法将蛋白质A/G固化在该膜表面,该膜对G表现出特异性吸附,吸附量可达0.018 mg/g。

二乙氨乙基纤维素作为一种弱碱性阴离子交换纤维素常用于分离提纯蛋白质。ZHANG L F等[35]制备出二乙氨乙基功能化的纤维素毡,先热碱处理静电纺醋酸纤维素毡制备出纤维素纳米纤维毡,然后将二乙氨乙基接枝到纤维素毡上制出功能化的纤维素毡,与二乙氨乙基阴离子改性后的普通纤维素毡(33.5 mg/g)、漂白吸收性棉球(14.5 mg/g)和市售再生纤维素吸附膜(15.5 mg/g)相比,该功能化的纤维素毡对牛血清白蛋白的吸附量达40 mg/g。

将醋酸纤维素硝化处理后可用于蛋白质吸附。LAN T等[36]制备出了用于牛血清白蛋白纯化的硝酸二乙酸纤维素纳米纤维膜,该纤维膜先通过对二乙酸纤维素进行硝化反应制备出硝酸二乙酸纤维素,后经静电纺丝制备出硝酸二乙酸纤维素纳米纤维,该纤维对牛血清白蛋白的吸附量最大可达300.11 mg/g,远高于未硝化处理的纳米纤维(18.63 mg/g)。

2.3 有机/无机复合纳米纤维蛋白质吸附材料

有机纳米纤维吸附材料主要依靠纤维表面结构及侧链疏水性基团提供高效的蛋白质吸附效果,但对蛋白质存在吸附上限,而将有机纤维疏水特性与无机纤维高孔隙结构相结合可显著提高蛋白质吸附效果。通过在有机蛋白质吸附纤维材料中混入一些无机纳米颗粒(羟基磷灰石、二氧化硅)改善纤维结构、增强纤维粗糙度、增强纤维孔隙结构,可提高其蛋白质吸附性能。LAN T等[37]研发制备出羟基磷灰石(HAP)纳米颗粒修饰的三乙酸纤维素(CTA)纳米纤维,该CTA/HAP纳米纤维膜是以CTA为核、HAP为壳的一种复合纳米纤维膜,对牛血清白蛋白的最大吸附量高达176.04 mg/g。为进一步提高蛋白质的吸附效果,H.ESFAHANI等[38]利用化学沉淀法合成了含锌的羧基磷灰石纳米颗粒(xZHNPs),并将其掺杂入静电纺尼龙6纳米纤维中,该纤维膜不仅具有足够的拉伸强度(4.15～5.70 MPa)和高的表面Zeta电位(5.9±0.2)mV,而且表现出更加优异的牛血清白蛋白吸附性能,对带负电荷的牛血清白蛋白的吸附量可达250 mg/cm3。FU Q等[39]制备出了一种新型带负电荷的柠檬酸交联PVA/SiO2复合纳米纤维水凝胶膜(CCA-co-PVA/SiO2NFMs),该纤维膜以静电纺SiO2纳米纤维为刚性骨架,通过引入CCA交联PVA的带负电水凝胶作为复合纳米纤维的功能层,所以纤维膜整体表现出良好的耐酸性和耐溶剂性、选择性和优异的可重复使用性(10次),通过考察PVA含量对蛋白质吸附性能的影响表明,当PVA质量分数为2%时复合纤维膜对蛋白质的吸附量最高为1 000 mg/g,且在5 h后吸附达到平衡,CCA-co-PVA/SiO2NFMs的蛋白质吸附过程符合一级动力学模型。

3 结语

近年来,虽然静电纺纳米纤维蛋白质吸附材料的研究取得了一定的成果,为传统蛋白质吸附提纯材料开发提供了新的思路和方法,但现阶段蛋白质吸附材料的研究仍主要集中在有机、无机、有机/无机相结合的单组分纤维材料及对纤维材料进行化学接枝改性上,亟待开发多组分复合纤维蛋白质吸附材料,并通过调节纤维表面的亲疏水性能及微观孔隙结构实现静电纺纳米纤维蛋白质吸附材料性能的进一步提升。基于高性能蛋白质吸附纳米纤维材料的开发可进一步拓展静电纺纳米纤维在生物领域的应用,实现对重大疾病相关的表达性蛋白质的特异性吸附与解析,为后续生物医药开发与检测、癌症早筛等生物研究提供重要的思路和指导作用。