The Innovation | 仿生贻贝足蛋白：一种强大的生物医用涂层的通用策略
编者荐语：
文中，QSense耗散型石英晶体微天平分析（QCM-D）技术被用于实时分析表面修饰过程和评估涂层的稳定性和功能性。 如在将NHS-PEG4-叠氮化物和DBCO修饰的抗菌肽分别结合到PCPA涂层和叠氮化表面时，QCM-D提供了实时的结合量数据。
以下文章来源于TheInnovation创新 ，作者Z Du, F Qiao
构建一种兼具与广谱材料表面牢固结合力、优异机械化学稳健性和二次表面功能化能力的多功能通用涂层是一个技术难题。本研究受贻贝黏着斑在恶劣海洋环境下表现出的与岩石表面具有牢固粘附性能的启发，通过设计贻贝足丝蛋白仿生分子，开发了一种具有“钢筋混凝土网架结构”的新型通用性多功能粘附涂层。研究结果表明，该涂层不仅具备与多酚涂层相同的广谱材料表面改性适用性，还因其高度化学交联的网络结构，展现出其他儿茶酚、植物多酚和金属-酚网络结构涂层所不具备的excellent机械化学鲁棒性。此外，该涂层还拥有更广泛的功能应用可扩展性，为多用途生物医学材料和器件的表面功能化定制提供了一个简单而有效的工具包。
导 读
具有良好表面黏附、机械化学稳健性和二次改性能力的多功能涂层在生物医学领域具有重要的科学意义。这种涂层不仅可以为精确的生物功能设计提供基础，还能保障生物效应的持久发挥。然而，将这些优势整合到一个系统中仍然具有挑战性，限制了研究人员对多功能涂层的探索。因此，发展坚固的多功能通用涂层具有重要意义。
目前的通用涂层技术已被广泛应用于增强生物材料和器械的生物功能，但传统技术在结构稳定性方面仍存在缺陷，限制了其进一步的发展与应用。基于此，本研究受贻贝足丝蛋白（Mefp）可以形成坚固粘着斑的启发，通过儿茶酚修饰的聚CPA模拟Mefp-5的官能基团和骨架，开发了一种简单且通用的伪-Mefp-5（Pseudo-Mefp-5）表面化学策略。polyCPA（PCPA）相互纠缠形成的“类钢筋混凝土”结构赋予涂层优异的机械化学鲁棒性，并提供丰富的活性接枝位点，允许精确的表面功能化设计，使Pseudo-Mefp-5通用涂层在多用途生物医学应用中显示出巨大的潜力（图1）。
相比于坚固的贻贝黏着斑，聚多巴胺（PDA）涂层在稍苛刻的条件下（如超声波、微酸或碱）表现出有限的机械强度。这与PDA涂层依赖于邻苯二酚氧化和自聚合形成的低分子量低聚物堆积，形成了一个“类混凝土”结构、缺乏“锚定”低聚物的“骨架状”网络有关。而贻贝黏着斑中的Mefp-5是一种含有儿茶酚和胺基团的柔性大分子，可以通过自聚合过程中的交联及相互缠绕，提供“类钢筋混凝土”结构，增强分子间的相互作用力和内聚力。基于此，作者认为“骨架”和官能团的共存对强黏附的实现至关重要（图2）。
图2 受贻贝粘附斑块启发的伪Mefp-5表面化学策略
机械化学稳定性测试表明，经过serious化学侵蚀以及物理损伤后，相比较于仅模仿Mefp-5的儿茶酚的传统仿生涂层，Pseudo-Mefp-5通过分子骨架的加入展现出更加稳定的性能。作者推测，这是由于PCPA涂层中CPA分子通过分子间的相互交联和纠缠形成“类钢筋混凝土”结构赋予涂层优异的机械化学鲁棒性（图3）。
图3 PCPA涂层的机械化学鲁棒性
生物功能表面的持久性对于生物医学植入物的长期服役至关重要。通过强酸、强碱、和氧化剂进行处理后，所有结果都表明PCPA涂层实现了牢固的生物分子的强大拴系。进一步证明了涂层稳定的结构是抵御化学侵蚀、维持生物分子持久功能效应发挥的保障（图4）。
图4 生物分子二次接枝以及生物功能的长效保持
PCPA涂层的表面胺基团转化为羧基，从而实现含胺分子（硒代胱胺，SeCA）的共价固定以扩大应用范围。所得SeCA-PCPA不仅在体外实现血管细胞的生长调控，而且在体内抑制了血栓形成并促进受损血管组织的修复（图5）。
图5 PCPA涂层官能团的转换
作者进一步利用PCPA涂层实现生物分子活性保持更高的生物正交点击化学平台的构建。所得ABP-PCPA涂层在体外展示出优异的抗菌性能。在体外研究的基础上，作者还评估了ABP-PCPA引起的炎症反应。结果显示ABP-PCPA展现出优异的抗感染和促损伤修复能力，能够减轻炎症反应（图6）。
图6 PCPA涂层表面叠氮化，用于“清洁”分子修饰
总结与展望
综上所述，该研究报道了一种Pseudo-Mefp-5表面化学策略，用于制造具有机械化学鲁棒性的多功能通用涂层。通过邻苯二酚改性聚CPA模拟Mefp-5的官能团和主链，开发出具有“类钢筋混凝土”结构的涂层，赋予其出色的机械化学鲁棒性以及对摩擦或形变的抵抗力。此外，涂层表面丰富的胺基团可转化为其他反应性官能团，可实现精确的多功能表面设计。总体而言，本研究提出的Pseudo-Mefp-5表面化学策略为多用途生物医学通用涂层的制备提供了一种新的方法。
责任编辑
吴 屏 同济医院
任充华 华南师范大学
原文链接：cell. com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00109-7
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第五卷第五期以Report发表的“Mimicking Mytilus edulis foot protein: A versatile strategy for robust biomedical coatings” (投稿: 2024-03-27；接收: 2024-06-28；在线刊出: 2024-06-29)。
DOI: doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100671
引用格式：Du Z., Qiao F., Tong L., et al. (2024). Mimicking Mytilus edulis foot protein: A versatile strategy for robust biomedical coatings. The Innovation 5(5), 100671.
作者简介
杨志禄（通讯作者），南方医科大学高层次引进人才，特聘研究员/博士生导师，中国生物材料学会科学技术奖一等奖获得者、广州南创珠峰医疗科技有限公司董事会董事。现任国际期刊Smart Materials in Medicine创刊主编、中国科 -协旗舰刊Research副主编、Bioactive Materials等期刊编委，中国解剖学会血管分会副主任委员，中国生物材料学会康复器械与生物材料分会常务委员等职，入选“global 前2%科学家”榜单。研究方向聚焦心血管生物材料与再生医学研究。主持国家自然科学基金--国际(地区)合作与交流、广东省基础与应用基础研究基金--粤港澳研究团队项目及四川省杰出青年科学基金等省/国 -家-级项目10余项。以通讯/ 一作在包括PNAS，Nature Communications，The Innovation，Advanced Functional. Materials等国际期刊共发表论文60余篇。获得授 -权发明专-利33项，一项血管支架涂层专-利技术以1500万作价入股实施了转化，研发的可降解镁合金支架进入到产业化工程和申报检验阶段。
dghospitallab.zkshare. com/client/TeamIntroduction/detail/3
王怀雨（通讯作者），中--国 科-学-院深圳先--进技术研究院研究员/博士生导师，国家自然科学基金委优秀青年基金获得者，中国-科-学-院青年创新促进会优秀会员，中国生物材料学会康复器械与生物材料分会副主任委员，中国生物材料学会青年委员会委员，中国生物材料学会 先-进制造分会委员，入选“全 -球 -前2%科学家”榜单。先后承担国家自然科学基金、国家重点研发计划课题、中国 -科-学-院STS区域重点等项目。以第-一/通讯作者在The Innovation, Nature Communications、Advanced Materials等学术期刊发表论文60余篇。
htod.siat.ac. cn/index.php/Team/detail.shtml?id=4&cid=11
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