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  來自生物分子、細胞和微生物的非特異性吸附（即生物污染）對醫(yī)療植入物，藥物遞送載體和生物傳感器等諸多應(yīng)用形成了巨大的挑戰(zhàn)。例如，醫(yī)療植入物在植入體內(nèi)后不久就會被宿主蛋白所覆蓋，進而引起不可逆轉(zhuǎn)的異物反應(yīng)，包括炎癥、感染、組織纖維化等一系列醫(yī)源并發(fā)癥，最終導(dǎo)致失效。因此，減少或消除“生物污染”對于醫(yī)療裝置和藥物的安全性和功效性至關(guān)重要。

  一些親水性材料被證明可以通過水合作用形成水合外殼阻止生物分子或細胞接觸表面，使其底層的基底“隱身”，從而降低基底表面的生物污染。

  在這些親水性材料中，聚（乙二醇）（PEG）長久以來被作為“金標準”廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療器械和藥物的開發(fā)中。然而，PEG易受氧化損害，并可引起不良免疫反應(yīng)，在近年來引起了對其安全性的嚴重關(guān)注。此外，包括PEG在內(nèi)的大多數(shù)親水材料的水合作用能力并不足以使表面完全隱身，很難滿足實際應(yīng)用的無污需求，尤其是在復(fù)雜的生理環(huán)境中。

  近日，華盛頓大學(xué)的研究人員報告了一種衍生自三甲胺氮氧化物（TMAO）的仿生聚合物作為新一代超親水隱形材料。 TMAO是一種在深海魚類中發(fā)現(xiàn)的兩性離子滲透物，可以抵消尿素和壓力對蛋白質(zhì)的不穩(wěn)定作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，TMAO獨特的兩性離子結(jié)構(gòu)賦予它優(yōu)異的水合能力，并且這種性能在TMAO的聚合物版本- PTMAO中得到很好的維持（圖1）。由于具有超親水能力，PTMAO表現(xiàn)出極為出色的抗非特異性蛋白質(zhì)吸附和細胞粘附的能力，且免疫原性極小。

高效抗生物污染

  該團隊首先對TMAO聚合物在體外進行污染測試，結(jié)果表明PTMAO對于纖維蛋白原的吸附量相對于聚丙烯（PP）下降了97.6%；PTMAO相對于PVA而言對于補體C5b-9的影響較小；從細胞培養(yǎng)的結(jié)果來看，與TCPS相比，PTMAO在3天的細胞培養(yǎng)后其表面依然為潔凈表面（每100 μm2少于兩個細胞）。這些結(jié)果表明PTMAO具有高抗生物污染的性質(zhì)，有望用于醫(yī)療應(yīng)用。

圖二 PTMAO抗污染性質(zhì)的體外測試。（A）通過ELISA測定的纖維蛋白原吸附到PP和PTMAO水凝膠表面的相對吸附量。（B）使用PVA和PTMAO水凝膠進行補體C5b-9激活對比。（C）培養(yǎng)3天后NIH 3T3細胞粘附于組織培養(yǎng)聚苯乙烯（TCPS）和PTMAO水凝膠上的數(shù)量。（D）在人血清中不同厚度的PTMAO薄膜的SPR傳感圖。

對免疫識別幾乎不可見！

  然后對TMAO的最小免疫原性進行測試，5周的測試結(jié)果表明PEG接枝的鑰孔血藍蛋白(KLH,keyhole limpet hemocyanin)，能顯著的引發(fā)PEG特異性抗體（IgM平均滴度高于4000，IgG平均滴度高于1000），而TMAO對免疫識別幾乎是不可見的，TMAO接枝的KLH沒有引起可檢測的TMAO特異性抗體（IgM和IgG平均滴度低于200）。說明TMAO聚合物即使在極具挑戰(zhàn)性的體內(nèi)環(huán)境中也可以保持其優(yōu)越的抗生物污染性。

圖三 評估PTMAO的免疫原性。（A）向C57BL/6J小鼠皮下注射PEG-KLH或PTMAO-KLH（n = 5）5個劑量（每周一劑）。在第7、14、21、28、35天時收集小鼠血液。通過ELISA試驗檢測小鼠血清中聚合物特異的IgM（B）和IgG（C）的滴度。

  生物污染妨礙了醫(yī)療器械的性能，并對植入物的愈合過程產(chǎn)生不利影響。作為一種安全，高效的隱形材料，PTMAO的發(fā)現(xiàn)為解決生物污染帶來的許多棘手問題提供了廣泛適用的工具，是隱形材料發(fā)展的重要里程碑。相關(guān)研究以“Trimethylamine N-oxide–derived zwitterionic polymers: A new class of ultralow fouling bioinspired materials”為題，發(fā)表在《Science》子刊《Science Advances》上。論文的第一作者為Bowen Li（李博文），共同第一作者為Priyesh Jain和Jinrong Ma，通訊作者為Shaoyi Jiang(江紹毅)教授。

  論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/5/6/eaaw9562