硅纳米线表面的蛋白吸附调节分析研究功能材料专业.docx

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1、目录摘要1Abstract2第一章绪论31.1研究背景31.1.1蛋白与表面相互作用31.1.2硅纳米线的功能51.1.3聚合物表面接枝方法81.2课题的提出9第二章实验部分112.1实验的仪器和药品112.2.突变体无机焦磷酸酶(PPaSeE35C)的获取122.3DMBD的合成132.4硅纳米线的制备及改性142.5重组蛋白的表征及其在改性表面的吸附与脱附测试152.5.1SDS-PAGE凝胶电泳152. 5.2酶活性测定153. 5.3蛋白质在硅片表面的吸附与脱附16第三章结果和讨论174. 1DMBD的合成及表征173.2硅纳米线的SEM表征173.3硅接枝表面的聚合物厚度183.4

2、样品的水接触角测试193.5 蛋白的表征及表面对蛋白吸附测试203.5.1SDS-PAGE凝胶电泳203.5.2蛋白浓度标准曲线的测定203.5.3表面吸附蛋白质活性测试21第四章结论及展望224.1结论224.2展望22参考文献22致谢错误!未定义书签。硅纳米线表面的蛋白吸附调节摘要：蛋白质是生命活动的基础物质，蛋白质在生物体中无处不在。随着现代医学以及生物学的进步，蛋白质与表面的相互作用也引起了越来越多研究人员的关注。基于蛋白质与表面相互作用现象改性的表面也逐渐应用于医学以及生物学领域。如固定有聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNlPAAm）的表面可以用于天然与变性蛋白的分离。此外，该表面用于组

3、织培养基底可易于贴壁生长的组织完整脱落，同时关于表界面的研究在药物控制释放方面也起着积极作用o本文讲述了在硅纳米线阵列（SiNWAS）的表面以多巴胺介导用“Graftingfrom”的方法接枝了PH响应性聚合物聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯（PDMAEMA）,并用仪器测试对硅纳米线阵列表面进行了表征，最后用提纯的无机焦磷酸酶的突变体对该表面在不同PH环境下进行了吸附测试。结果显示表面接枝聚合物的厚度差异随时间延长或接枝次数增加而增加，制得的表面对蛋白活性吸附具有PH响应的特点。这种表面在蛋白质分离以及生物检测等生物领域有着潜在应用价值。关键字：硅纳米线阵列、PH刺激响应、表面改性、PDMAE

4、MAProteinadsorptionregulationonthesurfaceofsiliconnanowiresAbstract：Proteinisthebasicmaterialoflifeactivities.Andproteinsareubiquitousinorganisms.Withtheadvancementofmodemmedicineandbiology,theinteractionbetweenproteinsandsurfaceshasalsoattractedtheattentionofmoreandmoreresearchers.Basedonthephenome

5、nonofprotein-surfaceinteraction,Surfacesaremodifiedwithallkindsofproperties.Thesesurfaceshavealsobeenusedinmedicineandbiology.Forexample,thesurfaceonwhichPNIPAAmisimmobilizedcanbeusedfortheseparationofnaturalanddenaturedproteins.Inaddition,thissurfacecanbeusedforthesheddingofentiretissuepiecebypiece

6、.Previously,thesetissueattachedtothesurfaceofthesubstratecouldonlybedesorptedbydispersingintocells.Besides,thestudyonthesurfaceinterfaceplaysanactiveroleindrugcontrolledrelease.ThispaperdescribesthatthepH-responsivepolymerPDMAEMAwasgraftedonthesurfaceofsiliconnanowirearrays,usingdopamine-mediated“Gr

7、aftingfrommethod.Theinstrumentswereusedtocharacterizethesesurfaces.Finally,theproteinsadsorptiontestofthesurfaceindifferentpHenvironmentswascarriedoutwithapurifiedinorganicpyrophosphatasemutant.Theresultsshowedthatthedifferenceinthicknessofthepolymeronthesurfacesenlargedwithtimeorthenumberofgraftsin

8、creases,andtheresultingsurfacehasacharacteristicofpHresponsetoproteinadsorption.Thissurfacehaspotentialapplicationvalueinbiologicalfieldssuchasproteinseparationandbiologicaldetection.Keywords:Siliconnanowirearray,pHstimulationresponse,surfacemodification,PDMAEMA第一章绪论研究背景1.1.1蛋白与表面相互作用蛋白质和物质表面作用是自然界的

9、一种常见现象。在生物环境中，生物材料将会与许多不同的成分以及细胞体相互作用。由于大多数细胞的结构和功能取决于蛋白质的组装和活动，故而蛋白质是这些成分中和生物表面相互作用最关键的成分”。随着人们对蛋白质的认识，发现蛋白质与表面的作用涉及各种分子间作用力（如范德华力、亲疏水作用、静电相互作用、配位键合、分子识别等）Mo此外蛋白的吸附作用还受表面形貌以及空间阻力的影响。在蛋白质调控吸附中，我们主要考虑如亲疏水作用、静电作用以及表面形貌对蛋白吸附的影响。蛋白质分子在其空间表面上存在各种疏水的烷基以及亲水的皴基。此外因蛋白质还有大量可离子化的氨基、竣基以及其他可离子化的基团，这些基团的离子化将使蛋白质带

10、上电荷。当溶液环境PHpl（等电点）时，蛋白质带负电荷,PHPl时，蛋白质带正电荷。由于蛋白质各个基团相互间的静电作用力是维持其空间结构的重要作用力，而PH变化极容易改变这些基团的电性，这将使得基团间的位置将发生改变，导致蛋白质的活性空间结构改变。故而通过大范围的PH变化使蛋白质带电不适用于活性蛋白分离而适用于实验检测。上述的亲疏水基团、或带电的氨基、竣基等基团的空间位置共同形成有特定空间结构的结合位点组。由于结合位点组与蛋白质自身的空间位阻共同构成的空间结构通常复杂具有特殊性。而这一性质可用于蛋白质的特异性识别。就表面疏水性而言，一般认为改性表面的疏水性越强则其非特异性蛋白吸附就越强。如YU

11、an等人据此设计了聚氧化乙烯（PEC）/聚乙二醇（PEG）改性的亲水性表面。通过降低表面的疏水性来降低其表面蛋白的非特异性吸附。其原理可能是因为链压缩及PEG/PEO的结合水的“屏障”作用加剧了对蛋白质吸附的空间阻力。产生“屏障”作用的原因是亲水表面和水结合的趋势更强，蛋白质与水相比无法在氢键的结合竞争中胜出。而这一效应和蛋白质自身的氢键作用以及空间结构有关081。在等电点外的PH环境中，蛋白质净电荷不为零。根据静电相互作用，可通过改变表面接枝聚合物的电性来调节蛋白质的吸附。Wan等人利用聚丙烯酸(PAA)在pH=7.4时带负电荷的性质，在溶液环境中对带正电荷的细胞色素蛋白实现了吸附控制。表面

12、对蛋白质吸附的环境响应调节就是通过在表面接枝环境响应性聚合物实现的，这些接枝于表面的聚合物的环境响应最直接的体现在于聚合物自身的亲疏水性、带电性的改变以及表面链形态改变使得接枝物厚度的改变，进而引起表面浸润性的改变等。如Okano研究小组利用PNIPAAm改性表面发展了细胞片组织工程。PNIPAAm是温度响应性聚合物，其在温度较低时候受分子链内氢键作用，PNIPAAm将通过链内氢键结合大量水使得表面呈现亲水性质。而在较高温度时候分子链与水的氢键被破坏，分子链将脱水呈蜷缩状态，这将使得表面变得疏水同理PH控制的表面是通过在表面接枝PH响应性聚合物来达到上述的亲疏水以及聚合物刷带电性的改变。这种聚

13、合物主链上有大量的可离子化基团的聚电解质。通过将这类聚电解质接枝在表面即可实现PH响应W。如聚4-乙烯此咤(P4VP)等聚弱碱在低PH时分子链内带有大量正电荷，相同电荷使得分子链内静电排斥，分子链呈舒展状态。聚甲基丙烯酸(PMAA)这类聚弱酸则是图1表面和蛋白质的静电吸附示意图在在高PH时带负电，链呈舒张状态。而聚合物链的伸展和收缩带来直观的改变是接枝厚度的改变，接枝厚度的变化将影响表面的浸润性等。此外电性的改变都将对自带电的蛋白质的吸附起着重要作用。如Ionov制备了聚4-乙烯毗咤(P2VP)和聚丙烯酸(PAA)的混合聚合物刷，使得表面具有不同的PH响应性，在高PH时，P2VP能吸引带负电的

14、蛋白质；PH降低时，带正电的蛋白质将会被PAA链所吸附U叫蛋白质吸附不仅取决于表面化学性质，还取决于表面的物理形貌“4叫已经观察到，不同的形貌或模式可以影响蛋白质吸附的分布或吸附量，并且可以影响随后的生物学反应，例如细胞粘附和增殖1。Yuan等使用天然荷叶作为模板，在PU表面复制荷叶表面独特的微观结构“刃。与平面的PU表面相比，具有荷叶状地形(PUL)的PU表面拥有更大的比表面积，这增强了该表面的疏水性，使得PLU表面能更广泛地吸附蛋白质。此外，通过在微米/纳米尺度上制造生物界面形貌还可以改善血液相容性电。例如，为了模拟血管的内表面，Fan等人开发了一个多尺度结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)表

15、面，具有交错的亚毫米脊和纳米突起。血小板粘附分析表明，所得到的表面在流动下表现出良好的血小板抗性画。为了增强表面的性质，我们预备在硅纳米线阵列的表面进行改性。1.L2硅纳米线的功能硅纳米线阵列是硅晶片表面的一层形貌结构如图所示P这种纳米级的微观结构极大地增加了材料的比表面积，使材料的表面能大大增加，具有这种拓扑结构的硅表面具有更高的化学活性。这种表面结构还将使得材料的表面性质更加突出。如氧化型SiNWAs表面的水接触角小于1,具有超亲水的性质。而荷叶表图2.硅纳米线在扫描电子显微镜下微观图。A为俯视图。B为侧视图】。面的拓扑结构具有超疏水的性质O硅纳米线的制备机理有气-液-固(VLS)生长机理

16、、氧化诱导生长机理以及腐蚀制备机理。VLS生长机理：是指预见性地根据硅和金属催化剂的相图选取硅和金属催化剂的共晶点，使硅和金属催化剂在超高温度下汽化，然后在相图的共晶温度范围附近生成共晶液滴，使得硅在混合液滴中饱和并不断析出，由于金属液滴是纳米大小的尺度限制了硅析出直径，使得析出的硅纳米线的直径也是纳米级的。只要能选取合适的金属催化剂合理的温度以及气源即可制备纳米级的颗粒或者柱状物122。图3是硅纳米线的生长过程示意图。图3.硅纳米线的生长过程。A是VLS生长示意图阳，B是氧化诱导生长示意图网。氧化诱导生长机理：该机理如图所示，由Lee等人提出，在没有金属催化剂的情况下，硅和二氧化硅或一氧化硅在高温下汽化，由于硅过量，气体含量中将以