采用静电-疏水策略定制的纳米复合水凝胶，可实现高效蛋白质吸附

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Tailored nanocomposite hydrogels with electrostatic-hydrophobic strategy for efficient protein adsorption

纳米复合水凝胶通过电负性-疏水性协同策略显著提升溶菌酶吸附容量至1705 mg·g?1，并保持十次再生循环后1600 mg·g?1的高性能，同时验证了选择性吸附和溶菌酶活性保持。

　　

钱成|张向阳

华东理工大学化学工程国家重点实验室，上海200237，中国

摘要

蛋白质吸附在分离和纯化过程中起着至关重要的作用。在这项研究中，通过将丙烯酸（AA）和聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）聚合成带负电荷的水凝胶网络，制备了用于高效吸附溶菌酶的高性能纳米复合水凝胶。进一步利用静电-疏水策略，将该网络与自合成的具有疏水性和负电荷的二氧化硅纳米颗粒（SNPs）结合在一起。这种双重相互作用设计有效地将静电吸引与疏水结合结合起来，以调节蛋白质与表面的相互作用。优化后的复合水凝胶对溶菌酶的最大平衡吸附容量达到了1705 mg·g^?1，比原始水凝胶提高了28.7%。吸附过程遵循Langmuir等温线和Temkin模型，与单层物理吸附机制一致，热力学结果进一步证实了这是一个自发的吸热过程。结构表征显示，SNPs的加入增强了表面的疏水性（接触角从65.4°增加到102.5°）。水凝胶表面的负电荷通过静电吸引与溶菌酶的正电荷相互作用，而SNPs引入的疏水性增加了驱动力。分子动力学模拟显示，加入SNPs后，蛋白质与水凝胶的相互作用能量降低了28.4%。最后，该纳米复合水凝胶表现出优异的再生性能，在经过十次吸附-解吸循环后仍保持1600 mg·g^?1的溶菌酶吸附容量，解吸后的溶菌酶保持了其天然构象和酶活性。在重力驱动条件下，动态吸附实验的吸附容量为1186 mg·g^?1，从蛋清中成功提取溶菌酶进一步证明了该水凝胶的实际应用价值。

引言

蛋白质分离在生物科学和生物工程中发挥着关键作用，特别是在病原体检测、蛋白质药物制备、蛋白质结晶和药物输送等生物技术应用中[1]、[2]。作为分离和纯化策略的关键步骤，蛋白质吸附对于涉及提取、透析、超滤和色谱的技术至关重要[3]。蛋白质吸附的驱动力是蛋白质与表面之间复杂的相互作用网络，包括静电作用、疏水作用、氢键、范德华力、配位作用和共价键，这些作用通常同时发生[4]、[5]。

作为吸附的主要驱动力，静电作用和疏水作用激发了人们对各种吸附剂的探索，包括天然和合成聚合物、陶瓷、水凝胶以及新兴的二维（2D）材料，如MXenes[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。因此，通过调整吸附剂的局部微观环境和界面结构来优化其表面电化学性质和疏水性，已成为提高蛋白质吸附容量和选择性的核心策略，但实现高容量、结构稳定性和可重复性的平衡仍然是一个重大挑战。Xiao等人[14]制备了一种PNIPAm水凝胶复合膜，实现了对BSA的高通量吸附（457 mg·g^?1），但没有进行循环吸附-解吸实验。Kemal ?etin等人[15]报道了一种聚（羟甲基甲基丙烯酸酯）-乙烯基丙烯吡咯烷酮水凝胶，在最佳条件下对溶菌酶的吸附容量相对较低（12.25 mg·g^?1），并且在10次吸附-解吸循环后吸附容量下降了13.8%。在众多吸附材料中，pH响应性水凝胶作为一种有前景的聚合物脱颖而出，因为它们可以为选择性分离提供有利的环境。特别是，pH响应性水凝胶含有在特定pH和离子强度下获得固定电荷的离子化基团，这些基团可以介导与蛋白质表面的静电相互作用，从而促进吸附，成为调节蛋白质-表面相互作用的基本平台[16]、[17]。Fu等人[18]开发了一种具有互连孔隙和阴离子水凝胶层的可调纳米纤维水凝胶膜，实现了对溶菌酶的高吸附容量。同样，Wang等人[19]证明，在带正电的Gel-EPL和Gel-EPL-B水凝胶上，负电荷胶原蛋白II的吸附量显著增加。

尽管pH响应性水凝胶在蛋白质吸附方面表现出色，但它们的单一功能性和较差的机械强度极大地限制了其实际应用[20]、[21]、[22]。为了解决这些问题，纳米复合策略最近作为一种提高吸附性能和结构稳定性的有前景的方法出现[23]、[24]。这类策略通常使用由聚合物基质和纳米填料组成的稳定水凝胶[25]。纳米填料的加入不仅显著改善了水凝胶的机械性能，还赋予了其多种功能，从而拓宽了其实际应用范围[26]、[27]。为了提高蛋白质吸附性能，所选的纳米填料应能够改变水凝胶的电荷和表面结构[28]。二氧化硅纳米颗粒（SNPs）因其富含羟基的表面、较大的表面积、可调的孔隙率和内在的表面电荷而被广泛认为是有效的吸附材料，能够在不同的pH条件下调节吸附过程[29]、[30]。例如，Meissner等人[31]证明，溶菌酶在二氧化硅纳米颗粒上的吸附量随pH增加而增加，在等电点时达到最大吸附量。尽管具有这些优点，但由于不可避免地会形成“蛋白质冠层”，从而影响吸附选择性[32]，因此其应用受到限制。此外，纳米颗粒还存在聚集和回收率低的问题[33]。因此，将SNPs与水凝胶结合是一种构建高通量蛋白质吸附纳米复合材料的可行策略。

在这里，我们采用静电-疏水策略开发了一种新型纳米复合水凝胶，旨在实现高效的溶菌酶吸附，旨在在一个水凝胶系统中同时具备高吸附容量、稳定的结构稳定性和优异的可重复性[34]。这是通过将自合成的二氧化硅纳米颗粒（SNPs）引入丙烯酸（AA）和聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）网络中实现的。系统地表征了该水凝胶的化学结构、机械稳定性和界面性质。随后的吸附实验表明，SNPs的加入显著提高了水凝胶对溶菌酶的吸附容量。为了阐明吸附机制，分析了吸附动力学、等温线模型和热力学分析，并利用分子动力学（MD）模拟揭示了SNPs加入对溶菌酶结合能的影响。最后，使用溶菌酶、胰蛋白酶、牛血清白蛋白（BSA）和葡萄糖异构酶（GI）进行的吸附实验验证了该水凝胶的选择性吸附能力。这项研究展示了这种纳米复合水凝胶作为开发复杂分离过程中定制吸附剂的多功能平台的潜力。

实验部分

实验部分

补充信息部分包含了详细的信息。

结果与讨论

在这项研究中，合成了PEGDA-AA/SNPs纳米复合水凝胶（PAS），以展示所提出的静电-疏水策略在增强蛋白质吸附方面的效果。纳米复合水凝胶的制备过程主要包括四个步骤：预聚物制备、紫外光聚合、浸入纯水中和干燥（如图1a、b所示）。作为关键步骤，水凝胶通过光引发剂DC1173进行引发，并在聚合过程中掺入二氧化硅纳米颗粒（SNPs）

结论

在这项工作中，我们提出了一种静电-疏水策略，用于开发高性能的PEGDA-AA/SNPs纳米复合水凝胶（PAS），以实现定制的蛋白质吸附。该设计将带负电荷的水凝胶基质与疏水性二氧化硅纳米颗粒（SNPs）结合起来，从而增强了溶菌酶的捕获能力。SNPs的加入显著提高了水凝胶的疏水性（水接触角从65.4°增加到102.5°）以及其粗糙度

CRediT作者贡献声明

张向阳：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资金获取。钱成：撰写 – 原始草稿、软件使用、方法论设计、实验研究、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了上海市自然科学基金（编号：23ZR1417100）的财政支持。