蛋白質吸附用靜電紡絲納米纖維材料研究進展

萬謙羽,唐海洲,李慧菁,毛 雪*,張 坤*

(1.西安工程大學 紡織科學與工程學院,陜西 西安 710048; 2.西安工程大學 功能性紡織材料及制品教育部重點實驗室,西安 710048)

隨著社會科技水平的發展和人民生活水平的提高,蛋白質在材料科學、組織科學、生物醫學[1]、制藥[2]和食品加工[3]各個方面的應用都愈顯重要[4,5]。目前蛋白質產品主要通過兩種方式獲得,一種是直接從天然物中進行提取,另一種是通過生物技術大批量制備蛋白質[6],兩種方式均要將蛋白質提取[7]、分離[8]和純化[9]才能得到目標產物。提取蛋白質的關鍵在于如何將蛋白質吸附到材料表面。蛋白質吸附是許多生物技術應用的重要過程,不但可應用于藥物輸送、組織工程和生物醫學診斷等,還可應用于修飾特定表面,如將蛋白質吸附在多孔材料表面上可形成蛋白質層,從而顯著提高生物醫學設備或材料的藥用性能。因此,開發高性能蛋白質吸附材料具有重要的研究意義和科學價值。作者簡要介紹了蛋白質吸附原理和吸附性能的影響因素,綜述了靜電紡絲制備蛋白質吸附材料的技術進展,旨在為后續生物醫藥開發與檢測、癌癥早篩等生物研究開發高性能蛋白質吸附材料提供重要的思路。

1 蛋白質吸附原理及影響因素

1.1 蛋白質吸附原理

蛋白質分子與材料表面的結合是一個復雜的動態過程,受到許多因素影響,目前沒有統一的理論。研究普遍認為,當蛋白質分子與吸附表面接觸時,多重的作用力使得接觸界面自由能降低,從而使蛋白質分子吸附到材料表面。材料和蛋白質之間的多重作用力主要有范德華力、氫鍵作用力、疏水作用力、靜電作用力等[10-11]。這些作用力和吸附材料表面、蛋白質本身性質及環境因素等密切相關[12]。

1.2 蛋白質吸附的影響因素

影響蛋白質吸附的因素可以分為三大類:蛋白質本身的物理化學性質、吸附載體表面性質及吸附過程環境因素。蛋白質的物理化學性質包括親疏水性[13]、所攜帶的電荷[14]、化學組成[15]、相對分子質量[16]等,其中疏水性和攜帶電荷對蛋白質吸附影響較大。當蛋白質在溶液中被吸附時,其表面疏水基團會相互聚集以避開水,此時的蛋白質更傾向于吸附到疏水吸附材料表面。另外,蛋白質所帶電荷也會影響吸附行為,當蛋白質所處溶液pH值大于等電點時,蛋白質攜帶負電,反之當溶液pH值小于等電點時,蛋白質攜帶正電,帶正電荷的蛋白質傾向于吸附到帶負電荷的吸附材料表面上,而帶負電荷的蛋白質傾向于吸附到帶正電荷的材料表面上。吸附載體的表面性質也會顯著影響蛋白質的吸附性能,當吸附載體表面呈疏水性時能更好地吸附蛋白質,因為蛋白質在水溶液中呈現出雙親性,當接觸到疏水載體表面時,蛋白質會將疏水性殘基暴露出來,迅速吸附到疏水性表面上,以產生疏水相結合力,從而進一步促進了蛋白質的吸附[17]。環境因素包括溫度[18]、pH值[19]、溶液濃度、溶液種類[20]。溫度會影響蛋白質的活性,從而影響蛋白質的吸附,在蛋白質活性范圍內,提高環境溫度可促進蛋白質的吸附;在pH值中性或微酸性環境中,蛋白質吸附更強;蛋白質的吸附隨溶液濃度增加會呈現先上升后下降的趨勢;蛋白質在生理鹽水中比在蒸餾水中更易吸附到材料上。綜上所述,對于蛋白質吸附材料的研發,不僅要關注吸附材料的性能,還要對蛋白質性能和環境進行探究。

2 靜電紡納米纖維蛋白質吸附材料

靜電紡納米纖維以其比表面積大、孔隙率高[21],紡絲過程可控性好、原料種類豐富且可調性好等特點,在蛋白質吸附領域具有較為明顯的優勢和廣闊的應用前景[22]。目前,靜電紡蛋白質吸附纖維材料按照纖維組分可分為無機類、有機類和有機/無機復合類。

2.1 無機納米纖維蛋白質吸附材料

無機納米纖維材料包括碳納米纖維、碳/二氧化硅(SiO2)復合納米纖維等,這些材料因比表面積大、孔隙率高等特性,在蛋白質吸附應用中發揮著重要作用。FAN G等[23]通過多組分靜電紡絲技術、納米摻雜方法制備了含有SiO2納米顆粒的聚丙烯腈(PAN)納米纖維,并采用原位氮化熱處理制得具有分級多孔結構的碳納米纖維,該纖維表現出較好的力學性能,對蛋白質的吸附量為32 mg/g。S.SCHNEIDERMAN等[24]利用陽離子交換化學法對熱處理后的PAN納米纖維表面進行功能化處理,制得具有高容量和高通量的碳納米纖維,該碳納米纖維對蛋白質的吸附能力(吸附量高達200 mg/g)比普通碳微米纖維材料提高10倍以上。ZHANG L等[25]研究出一種用于納米催化和蛋白質吸附的碳-鎳負載SiO2(SiO2@C-Ni)纖維膜,采用碳化工藝與溶膠-凝膠法相結合的方法(見圖1)[23],將制備出的SiO2納米纖維放入氫氧化銨、乙醇和蒸餾水中攪拌均勻后,加入多巴胺(PDA)和六水氯化鎳,攪拌反應后得到SiO2@PDA-Ni2+膜,經烘干得到SiO2@C-Ni纖維膜,對該膜吸附牛血清白蛋白及其重復利用率進行測試,牛血清白蛋白的最高吸附量為286.5 mg/g且重復利用10次后蛋白質吸附效果沒有明顯下降。無機吸附材料因表面無特殊官能團,同時也很難化學接枝官能團,僅依靠材料表面孔隙結構無法達到較高的蛋白質吸附效果。

圖1 SiO2@C-Ni膜制備流程

2.2 有機納米纖維蛋白質吸附材料

與無機類蛋白質吸附材料相比,高分子疏水材料(聚氨酯、聚醚砜等)因其分子結構中含有疏水基團,可通過疏水作用力高效吸附蛋白質,也可對親水性高分子(纖維素、硝酸二乙酸纖維素、殼聚糖、聚丙烯腈、聚乙烯醇、絲素等)納米纖維吸附材料進行表面化學疏水改性,使得不同類型的靜電紡聚合物納米纖維在蛋白質吸附領域表現出優異的吸附性能。

2.2.1 有機疏水基納米纖維

攜帶有疏水基團的有機納米纖維材料可直接應用于蛋白質吸附。Y.MORITA等[26]利用靜電紡制備出聚氨酯納米纖維膜,并研究了吸附在薄、厚納米纖維膜上的蛋白質的構象和活性的情況,研究發現:吸附在薄納米纖維上的蛋白質因接近自然形態而表現出較高的活性,為今后蛋白質吸附材料的研究提供了一種方法;在有機疏水材料表面進一步接枝疏水基團會增加蛋白質的吸附性能。MA Z W等[27]制備出利用汽巴藍F3GA染料化學改性的聚醚砜膜,并將白蛋白(A)和球蛋白(G)功能化處理到該膜上,發現該膜可對蛋白質進行快速小規模的吸附分離,表現出對G的高特異性結合吸附(可達4.5 mg/cm3)和低的非特異性蛋白質吸附性能,重復使用10次后吸附性能不受影響。

2.2.2 有機親水基納米纖維

有機親水材料因具有良好的生物相容性及表面極性基團易化學改性的優勢而被廣泛應用于蛋白質吸附領域。但有機親水納米纖維直接用于蛋白質吸附時,其吸附量較低,因為蛋白質的吸附主要依靠離子或靜電作用力、疏水作用力等,通常需要通過接枝改性技術對有機親水基底進行優化處理引入疏水基團或者離子,實現其蛋白質吸附性能的顯著提升。吸附改性劑包括活性染料類、有機酸鹽類、酸酐類、生物分子類、離子交換配體類及硝化類等。

(1)活性染料類

汽巴藍F3GA、活性綠19等染料中含有豐富的疏水基團—SO3-,將其接枝在材料表面時可大量吸附蛋白質。ZHANG H T等[28]利用汽巴藍F3GA染料和殼聚糖化學接枝改性處理,制備出聚丙烯腈(PAN)納米纖維雙層仿生膜,即先用酸溶液處理靜電紡制得PAN納米纖維,再以戊二醛溶液作催化劑將殼聚糖處理到PAN納米纖維膜表面上,最后將汽巴藍F3GA作為配體共價固定在殼聚糖表面制備出納米纖維雙層仿生膜,該納米纖維膜對菠蘿蛋白酶表現出很高的吸附能力,最高吸附量可達161.6 mg/g。CAI D等[29]制備出活性綠19染料固定化的改性殼聚糖納米纖維膜(P-COOH-CS-RG19),首先對靜電紡PAN納米纖維膜進行熱堿處理,隨后利用殼聚糖進行化學接枝處理,最后利用活性綠19染料將纖維膜固定化處理形成P-COOH-CS-RG19,并描述其溶菌酶吸附原理,因纖維膜上被引入大量的—SO3-,顯著增強了其對蛋白質的吸附性能,當偶聯殼聚糖溶液pH值為6和殼聚糖質量分數為0.5%時,該纖維膜對溶菌酶的吸附量可達1 293.66 mg/g。

(2)有機酸鹽類

3-磺基苯甲酸鈉中含有—SO3-和—CH3等疏水性基團,接枝到材料表面,可大幅提高材料吸附效果。ZHOU Y等[30]先將蠶繭處理成絲素,再將絲素和醋酸纖維素配成溶液,經靜電紡絲制備成絲素蛋白/纖維素共混納米纖維膜(SCBNM),再用3-磺基苯甲酸鈉和1-(3-二甲基氨丙基)-3-乙基碳酰亞胺溶液對SCBNM進行化學改性處理得到3-磺基苯甲酸鈉改性絲素/纖維素共混納米纖維膜(S-SCBNM),該功能化的S-SCBNM表現出超薄纖維直徑(148 nm)、快速吸附平衡(4 h達到吸附動態平衡)、優異的吸附容量和良好的重復使用性能(10次),尤其是對帶正電荷的蛋白質(溶菌酶),吸附量可高達636 mg/g,顯著高于用3-磺基苯甲酸鈉和1-(3-二甲基氨丙基)-3-乙基碳酰亞胺溶液對絲綢處理后的S-絲綢的蛋白質吸附量(191 mg/g)。

(3)酸酐類

馬來酸酐可引入強極性反應基團來改善材料的相容性。MA J C等[31]利用馬來酸酐對纖維素納米纖維膜進行功能化修飾,該納米纖維膜表現出良好的蛋白質動態吸附(吸附量高達160 mg/g)、快速吸附平衡(12 h達到吸附動態平衡)和良好的重復使用性能(10次)。LV H等[32]將靜電紡絲技術與接枝共聚交聯相結合,原位合成了馬來酸酐接枝聚乙烯醇(PVA)水凝膠納米纖維膜,該納米纖維膜比表面積大,可以提供許多可用的與生物分子相結合的位點,對溶菌酶表現出多種優異的吸附性能,吸附量最高可達170 mg/g,且在8 h可達到吸附平衡,此外該功能化納米纖維膜還具有優異的耐酸性能、良好的重復使用性能(10次)。為了進一步提高吸附效果和速率,WANG X L等[33]通過原位接枝聚合和靜電紡絲技術制備出PVA/馬來酸酐共混納米纖維膜,該膜具有大表面積與體積比、高曲折的多孔結構等優勢,可以提供豐富的蛋白質結合活性位點,與未處理的PVA膜相比,納米纖維膜表現出良好的吸附性能,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達到吸附動態平衡)、高效的動態分離性能和良好的重復使用性能(10次)。

(4)其他

將生物分子接枝到吸附材料上可令材料獲得特異性吸附。MA Z W等[34]開發了可純化免疫球蛋白G的纖維素納米纖維膜,首先經熱堿處理靜電紡絲醋酸纖維素納米纖維制備出纖維素納米纖維膜,然后利用高碘酸鈉氧化處理,通過化學接枝法將蛋白質A/G固化在該膜表面,該膜對G表現出特異性吸附,吸附量可達0.018 mg/g。

二乙氨乙基纖維素作為一種弱堿性陰離子交換纖維素常用于分離提純蛋白質。ZHANG L F等[35]制備出二乙氨乙基功能化的纖維素氈,先熱堿處理靜電紡醋酸纖維素氈制備出纖維素納米纖維氈,然后將二乙氨乙基接枝到纖維素氈上制出功能化的纖維素氈,與二乙氨乙基陰離子改性后的普通纖維素氈(33.5 mg/g)、漂白吸收性棉球(14.5 mg/g)和市售再生纖維素吸附膜(15.5 mg/g)相比,該功能化的纖維素氈對牛血清白蛋白的吸附量達40 mg/g。

將醋酸纖維素硝化處理后可用于蛋白質吸附。LAN T等[36]制備出了用于牛血清白蛋白純化的硝酸二乙酸纖維素納米纖維膜,該纖維膜先通過對二乙酸纖維素進行硝化反應制備出硝酸二乙酸纖維素,后經靜電紡絲制備出硝酸二乙酸纖維素納米纖維,該纖維對牛血清白蛋白的吸附量最大可達300.11 mg/g,遠高于未硝化處理的納米纖維(18.63 mg/g)。

2.3 有機/無機復合納米纖維蛋白質吸附材料

有機納米纖維吸附材料主要依靠纖維表面結構及側鏈疏水性基團提供高效的蛋白質吸附效果,但對蛋白質存在吸附上限,而將有機纖維疏水特性與無機纖維高孔隙結構相結合可顯著提高蛋白質吸附效果。通過在有機蛋白質吸附纖維材料中混入一些無機納米顆粒(羥基磷灰石、二氧化硅)改善纖維結構、增強纖維粗糙度、增強纖維孔隙結構,可提高其蛋白質吸附性能。LAN T等[37]研發制備出羥基磷灰石(HAP)納米顆粒修飾的三乙酸纖維素(CTA)納米纖維,該CTA/HAP納米纖維膜是以CTA為核、HAP為殼的一種復合納米纖維膜,對牛血清白蛋白的最大吸附量高達176.04 mg/g。為進一步提高蛋白質的吸附效果,H.ESFAHANI等[38]利用化學沉淀法合成了含鋅的羧基磷灰石納米顆粒(xZHNPs),并將其摻雜入靜電紡尼龍6納米纖維中,該纖維膜不僅具有足夠的拉伸強度(4.15～5.70 MPa)和高的表面Zeta電位(5.9±0.2)mV,而且表現出更加優異的牛血清白蛋白吸附性能,對帶負電荷的牛血清白蛋白的吸附量可達250 mg/cm3。FU Q等[39]制備出了一種新型帶負電荷的檸檬酸交聯PVA/SiO2復合納米纖維水凝膠膜(CCA-co-PVA/SiO2NFMs),該纖維膜以靜電紡SiO2納米纖維為剛性骨架,通過引入CCA交聯PVA的帶負電水凝膠作為復合納米纖維的功能層,所以纖維膜整體表現出良好的耐酸性和耐溶劑性、選擇性和優異的可重復使用性(10次),通過考察PVA含量對蛋白質吸附性能的影響表明,當PVA質量分數為2%時復合纖維膜對蛋白質的吸附量最高為1 000 mg/g,且在5 h后吸附達到平衡,CCA-co-PVA/SiO2NFMs的蛋白質吸附過程符合一級動力學模型。

3 結語

近年來,雖然靜電紡納米纖維蛋白質吸附材料的研究取得了一定的成果,為傳統蛋白質吸附提純材料開發提供了新的思路和方法,但現階段蛋白質吸附材料的研究仍主要集中在有機、無機、有機/無機相結合的單組分纖維材料及對纖維材料進行化學接枝改性上,亟待開發多組分復合纖維蛋白質吸附材料,并通過調節纖維表面的親疏水性能及微觀孔隙結構實現靜電紡納米纖維蛋白質吸附材料性能的進一步提升。基于高性能蛋白質吸附納米纖維材料的開發可進一步拓展靜電紡納米纖維在生物領域的應用,實現對重大疾病相關的表達性蛋白質的特異性吸附與解析,為后續生物醫藥開發與檢測、癌癥早篩等生物研究提供重要的思路和指導作用。