科研没思绪？问问贻贝——Adv.Mater.：新型抗菌粘性水凝胶

贻贝—顶刊“灵感源泉”

天然界一向都是科研事情，格外是新型质料设计的灵感泉源。比方，人们依据猪笼草布局设计了自愈合的多孔外貌、受到贝类珍宝层的开导设计了耐打击的透亮质料。在浩繁仿生工具中，贻贝可以说是佼佼者一样的存在，为质料设计奉献了很多顶级的研究思绪。在已往的几十年里，贻贝所具备的壮大粘附性为设计人工合成的水下粘附剂提供了富厚的思绪。

（贻贝通过丝足粘附在基质外貌，图片泉源：网络）

贻贝的“神奇功效”

贻贝之以是可以或许强力粘附在有机大概无机基质外貌，重要是由于其可以或许排泄数种足丝卵白。以贻贝足卵白Mfp-5为例，这是一种漫衍在足丝-基质界面的界面卵白，具有壮大的粘附性。Mfp-5的卵白质序列中含有大量的赖氨酸和非编码的左旋多巴（DOPA）氨基酸。这两种物质是粘附力的重要泉源，此中DOPA的还原邻苯二酚情势可以或许与基质孕育发生多种物理相互作用而提供外貌粘附，而赖氨酸则能扫除水合阳离子，为DOPA粘附提供干燥的界面条件。

然而，越来越多的研究表现，这两种物质的团结还大概引发别的一种“神奇功效”——抗菌。起首，Mfp-5中赖氨酸的含量与抗菌多肽中的赖氨酸含量相似，而正是赖氨酸给予了这类抗菌多肽粉碎细菌细胞膜的本领；其次，包罗DOPA在内的邻苯二酚类衍生物可举行自氧化（auto-oxidation）作用，从而孕育发生强效抗菌剂过氧化氢。

贻贝仿生设计新型抗菌凝胶涂层

通过对Mfp-5的研究，美国国立卫生研究院（NIH）的Joel P. Schneider等人初次发觉Mfp-5衍生的多肽具有抗菌性能。受到这一多肽的开导，研究职员进一步设计了新型的抗菌粘附水凝胶，可对耐药革兰氏阳性细菌展示出按捺活性。相干事情以“Antibacterial Gel Coatings Inspired by the Cryptic Function of a Mussel Byssal Peptide”为题颁发在Advanced Materials。

一、从Mfp-5中提取抗菌多肽

研究起首在Mfp-5中辨认并制备了富含DOPA和赖氨酸的多肽序列（Mfp-5_29-47DOPA）。试验发觉，这一多肽片断可以多肽浓度依靠的方法孕育发生过氧化氢，产量可凌驾0.5 × 10⁻³M。作为对比，不含DOPA的多肽片断则无法孕育发生过氧化氢，证明了DOPA在孕育发生过氧化氢中起到的要害作用。进一步举行抗菌试验可知，Mfp-5_29-47DOPA可有用抗击耐甲氧西林的革兰氏阳性金黄色葡萄球菌，其最小抑菌浓度到达250 μg mL⁻¹。不但云云，缺乏DOPA的对比多肽片断也展示出了抑菌活性（MIC= 500 μg mL⁻¹），评释多肽中的赖氨酸含量也奉献了必然的抗菌作用（图1）。

图1贻贝衍生多肽的抗菌性能

二、粘性抗菌凝胶的设计表征

基于DOPA和赖氨酸的抗菌和粘附性能，研究进展了一类新型粘附凝胶质料。这类质料可通过注射的方法粘附到器件大概构造上形成涂层，从而起到抗菌的作用。作者设计了数种含DOPA和赖氨酸的多肽，可以在溶液中触发自组装形成纤维状凝胶。表征发觉，在凝胶纤维中，多肽均组装形成双层交织β-布局，并进一步折叠成两亲性的β-发夹构型（图2）。

图2 贻贝仿生粘附凝胶的设计

三、抗菌活性机制研究

对上述凝胶举行抗菌活性机制研究发觉，凝胶中存在着两种大相径庭的抗菌事情机制（图3）。第一种便是DOPA介导孕育发生过氧化氢对细菌造成氧化杀伤，细胞试验评释，凝胶的过氧化氢产量在第一天到达最大值，随后随时间渐渐淘汰但连续产出凌驾三天时间。第二种机制是外貌打仗介导的杀伤，亦即当细菌与凝胶质料的带正电外貌底子时，细菌会产生细胞溶解征象。基于这两种机制，作者以为当此类凝胶植入体内时，起首DOPA介导的抗菌机制会在数天内会合产出过氧化氢以制止初始细菌附着，而外貌介导的杀伤则会发挥恒久连续的抗菌作用。

图3 抗菌机制研究

四、活体试验

最终，作者依据抗菌性能筛选出了性能最好的MIKA2多肽凝胶质料举行活体试验（图4）。超声成像发觉，凝胶会在体内渐渐降解，但在降解一个月后仍有40%的凝胶残留。别的，该凝胶只会在体内激发和气的炎症反响，而且可以通过巨噬细胞吞噬介导的质料再汲取（resorption）加以办理。在治疗钛植入熏染的小鼠时，凝胶既在植入物外貌涂覆形成涂层，也在植入物植入后局部注射到周边构造中（最终再植入物周边参加金黄色葡萄球菌）。颠末如许的处置惩罚，在初始的一个小时内，凝胶可以或许明显杀伤细菌，随后细菌在第6小时产生和气增殖举动，但在72小时后就被彻底扫除。

图4 凝胶体内抗菌成效

结论：该研究展示了从给予贻贝壮大粘附本领的足丝卵白中衍生的富含赖氨酸和DOPA的多肽序列也具有优秀的抗菌性能。研究发觉，这类多肽序列具有与自然抗菌多肽中雷同的赖氨酸含量，同时此中的DOPA残基有可以通过氧化孕育发生具有强效抗菌作用的过氧化氢。受此发觉开导，作者使用富含赖氨酸和DOPA的自组装多肽形成了新型抗菌粘附凝胶质料。对此凝胶举行进一步研究发觉，该凝胶质料通过外貌打仗介导杀伤和DOPA介导氧化杀伤来实现抗菌作用，其在体内可以或许明显按捺钛植入物引起的细菌定植，展示出了作为抗菌涂层治疗细菌熏染的应用远景。

文献链接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202103677

泉源：高分子科学前沿

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