CN105506593A - 一种氨基/羧基复合自组装单分子膜表面及制法与应用 - Google Patents

一种氨基/羧基复合自组装单分子膜表面及制法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于分子自组装的技术领域，公开了一种氨基/羧基复合自组装单分子膜表面及制法与应用。所述方法为：a、将基底物进行预处理，得到表面洁净的基底；b、将步骤a中的基底浸没在含有-NH2的有机化合物的溶液中，进行反应，洗涤、吹干，得到氨基化学修饰的自组装分子膜；c、将步骤b中负载有氨基化学修饰的自组装分子膜的基底浸泡在卤代烷酸与催化剂的混合溶液中进行酸化处理，取出基底，清洗浸泡，吸去盐分，吹干，得到氨基/羧基复合自组装分子膜表面。本发明无需共吸附含氨基和含羧基两种有机试剂，避免了溶液中酸碱反应；本发明制备的氨基/羧基复合SAMs表面具有不同的电荷性，对电荷敏感的蛋白吸附量有显著影响。

Description

一种氨基/羧基复合自组装单分子膜表面及制法与应用
技术领域
本发明属于分子自组装的技术领域，涉及一种氨基/羧基复合自组装单分子膜表面及其制备方法与应用。
背景技术
自组装单分子膜(SAMs)是表面活性剂化学吸附在基底物上并自发地形成取向有序排列的二维单分子膜。由于SAMs表面结构明确，末端基团使基底表面具有特定的物理化学性质，因而化学性质可控，常作为模拟特定表面化学组成或结构的理想模型。在生物技术研究方面，SAMs是研究基质表面与生物分子相互作用的理想模型，并且复合官能团的SAMs通过定义表面组分的梯度又进一步扩大了其应用范围，更加简单灵活地控制模型表面的理化性质，也更符合生理环境中本体材料表面的复杂性。由于SAMs的制备工艺简单，只需要对基底经过去污染处理后，浸泡在硫醇溶液中一段时间就可得到稳定性强的单分子膜。因此人们常常将不同末端基团的有机溶液进行简单的混合浸泡基底就可以得到复合不同官能团SAMs表面，并且还可以通过调控溶液混合的体积比来获得不同比例复合SAMs。然而，末端基团为-NH2和-COOH的有机溶液由于两者之间存在较强的静电作用，简单混合容易造成溶液中的酸碱反应，自组装后表面存在多层膜或相分离等缺陷。Wei-ChunLin等(LinWC,LeeSH,KarakachianM,etal.PhysicalChemistryChemicalPhysics,2009,11(29):6199-6204)通过选择不同碳链长度的–C15–COOH和–C8–NH2竞争吸附，降低了溶液中的酸碱反应以及共吸附生成酰胺化合物的程度。然而溶液中的酸碱反应还是不能完全避免，目前涉及不同比例-NH2/-COOH复合SAMs表面的构建中避免表面相分离及排列规整的分子膜的研究还很少。
在生物材料领域中，表面性质直接介导细胞与组织的生物应答特性，是决定材料后续植入成败的核心要素之一。由于材料表面性质特征的多样性及不同材料物化性能的差异性，传统材料难以直接分析表面性质单一因素的生物应答规律，因此所得结论并不具有普适性。利用SAMs技术构建化学官能团可设计的明确模型表面，在分子水平上研究表面化学性质的生物应答特性，为设计具有生物适配的新型医用生物材料表面提供可靠的实验依据。N.Faucheux等(FaucheuxN,SchweissR,etal.Biomaterials,2004,25(14):2721-2730)制备了不同官能团种类的SAMs表面，并比较了细胞在其黏附行为的差异。许多研究表明-NH2和-COOH由于表面电荷的差异而引起蛋白吸附和细胞表型行为的不同响应。目前为止，不同比例-NH2/-COOH复合SAMs表面的电荷性对蛋白吸附和细胞行为的影响研究还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有-NH2和-COOH共吸附制备SAMs表面存在的不足，提供一种氨基/羧基复合自组装单分子膜表面的制备方法。本发明利用SAMs技术制备-NH2表面，并将表面-NH2进一步与卤代烷酸反应生成表面末端部分含有-COOH的SAMs表面。
本发明的另一目的在于提供由上述制备方法得到的氨基/羧基复合自组装单分子膜表面。
本发明的再一目的在于提供上述氨基/羧基复合自组装单分子膜表面在生物材料领域的应用，特别是在蛋白吸附和细胞行为方面的应用。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种氨基/羧基复合自组装分子膜表面的制备方法，具体包括以下步骤：
a、将基底物进行预处理，得到表面洁净的基底；
b、将步骤a中的基底浸没在含有-NH2的有机化合物的溶液中，进行反应，洗涤、吹干，得到氨基化学修饰的自组装分子膜(即-NH2化学修饰的SAMs)；所述含有-NH2的有机化合物能够在基底上形成自组装分子膜；
c、将步骤b中负载有氨基化学修饰的自组装分子膜的基底浸泡在卤代烷酸与催化剂的混合溶液中进行酸化处理，取出基底，清洗浸泡，吸去盐分，吹干，得到氨基/羧基复合自组装分子膜表面。
步骤b所述含有-NH2的有机化合物的溶液中含有-NH2的有机化合物浓度为0.5～2mM；所述反应的时间为4～24h，反应的温度为室温；所述洗涤采用无水乙醇进行洗涤，所述吹干是指采用惰性气体进行吹干；所述惰性气体为氮气。
步骤b中所述含有-NH2的有机化合物的溶液中溶剂为醇溶剂，所述醇溶剂为乙醇。
所述含有-NH2的有机化合物为含有-NH2的有机硅烷，含有-NH2的烷基硫醇，含有-NH2的二羟基硫化物或含有-NH2的二羟基二硫化物；优选为末端为-NH2的有机硅烷、末端为氨基的烷基硫醇。
所述末端为-NH2的有机硅烷为末端为氨基的三氯有机硅烷(NH2-Si(CH2)nCl3)。
所述含有-NH2的有机化合物为含有-NH2的有机硅烷，此时基底为SiO2、Al2O3、硅、云母、GeO2或ZnSe；含有-NH2的烷基硫醇(NH2(CH2)nCH2SH)，此时基底为金、银、铜等贵金属；含有-NH2的二羟基硫化物或含有-NH2的二羟基二硫化物，此时基底为金。
所述含有-NH2的烷基硫醇优选为巯基-十一胺盐酸盐。
步骤a所述预处理是指将基底物浸泡于H2O2/H2SO4溶液中，清洗，惰性气体吹干；步骤a中所述H2O2/H2SO4溶液中H2O2/H2SO4的体积比为(1/10)～(5/5)；所述浸泡时间为5～30min，所述清洗是指采用无水乙醇和超纯水交替清洗；所述惰性气体为氮气。
步骤c中所述酸化处理的时间为0.5～12h；所述催化剂与卤代烷酸的摩尔比≥2；所述混合溶液中催化剂的浓度为1～4M，卤代烷酸的浓度为0.5～2M；步骤c中所述催化剂为强碱，所述强碱为氢氧化钠或氢氧化钾中一种以上；所述卤代烷酸为溴代乙酸或氯代乙酸；步骤c中所述清洗浸泡是指采用超纯水清洗浸泡，所述浸泡的时间为6～24h。
本发明相对现有技术具备如下优点：
本发明通过末端为氨基的化合物在基体表面自组装成氨基化学修饰的自组装单分子膜，再利用卤代烷酸与部分氨基发生发应，在自组装单分子膜的表面引入羧基，从而得到氨基和羧基复合的自组装单分子膜表面。本发明利用卤代烷酸氨化法直接在氨基化学修饰的自组装单分子膜表面引入羧基，无需共吸附含氨基和含羧基两种有机试剂，从而改善了-NH2和-COOH两种试剂共吸附复合SAMs的制备方法，彻底避免了溶液中酸碱反应。本发明在末端为-NH2的自组装单分子膜表面中复合一种电荷性差异较大的-COOH基团，从而改变自组装单分子膜表面的等电点，因此，本法得到的不同比例-NH2/-COOH复合SAMs表面具有不同的电荷性，从而对电荷敏感的蛋白吸附量有显著影响。
附图说明
图1是实施例1中氨基化学修饰的自组装单分子膜表面的表面电势；
图2是实施例2中氨基/羧基复合自组装单分子膜表面的表面电势；
图3是实施例3中氨基/羧基复合自组装单分子膜表面的表面电势；
图4是实施例4中氨基/羧基复合自组装单分子膜表面的表面电势；
图5是实施例5中氨基/羧基复合自组装单分子膜表面的表面电势；
图6是实施例6中羧基复合自组装单分子膜表面的表面电势；
图7是实施例1-6所制备复合自组装单分子膜表面吸附浓度为10μgmL-1的碘标记骨桥蛋白(125I-OPN)的吸附量柱状图。
具体实施方式
下面结合实施对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
采用“食人鱼”溶液(H2O2:H2SO4＝3:7(v/v))浸泡金基底(金片)15min，浸泡过程中清洗液完全没过金片，开始时金表面产生大量气泡直至不再产生气泡为止；采用无水乙醇和超纯水交替洗涤三次后，再用氮气吹干得到表面清洁的金基底；立即将洁净的金基底浸入浓度为10-3molL-1的巯基-十一胺盐酸盐(-NH2)硫醇的乙醇溶液中12h；反应完成后，将改性的金基底经过无水乙醇清洗三次后，用氮气吹干并气封备用，得到氨基化学修饰的自组装单分子膜表面(即-NH2化学修饰的SAMs)。
实施例2
将实施例1中负载-NH2化学修饰的SAMs的金基底浸泡在浓度为1molL-1的溴乙酸(BrCH2COOH)和浓度为2molL-1的氢氧化钠(NaOH)的混合溶液中进行酸化处理，并控制反应时间0.5h；取出样品经超纯水清洗浸泡12h，吸去盐分，经氮气吹干气封备用，得到氨基/羧基复合自组装分子膜表面。
实施例3
将实施例1中负载-NH2化学修饰的SAMs的金基底浸泡在浓度为1molL-1的溴乙酸(BrCH2COOH)和浓度为2molL-1的氢氧化钠(NaOH)的混合溶液中进行酸化处理，并控制反应时间2h；取出样品经超纯水清洗浸泡12h，吸去盐分，经氮气吹干气封备用，得到氨基/羧基复合自组装分子膜表面。
实施例4
将实施例1中负载-NH2化学修饰的SAMs的金基底浸泡在浓度为1molL-1的溴乙酸(BrCH2COOH)和浓度为2molL-1的氢氧化钠(NaOH)的混合溶液中进行酸化处理，并控制反应时间6h；取出样品经超纯水清洗浸泡12h，吸去盐分，经氮气吹干气封备用，得到氨基/羧基复合自组装分子膜表面。
实施例5
将实施例1中负载-NH2化学修饰的SAMs的金基底浸泡在浓度为1molL-1的溴乙酸(BrCH2COOH)和浓度为2molL-1的氢氧化钠(NaOH)的混合溶液中进行酸化处理，并控制反应时间12h；取出样品经超纯水清洗浸泡12h，吸去盐分，经氮气吹干气封备用，得到氨基/羧基复合自组装分子膜表面。
实施例6
将实施例1中表面清洁的金膜，立即将洁净的金基底浸入浓度为10-3molL-1的11-巯基十一烷酸(COOH(CH2)10CH2SH)的乙醇溶液中12h；反应完成后，将改性的金基底经过无水乙醇清洗三次后，用氮气吹干并气封备用，得到羧基复合自组装分子膜表面。
性能测试：
1、将实施例1～6制备的自组装分子膜表面进行表面电势测定，测定结果分别如图1～6所示。
利用固体表面Zeta电位仪(SurPass,AntonPaar,Austria)对样品表面的Zeta电位进行分析。首先将金基底切割成10mm×20mm大小规格；自组装制备SAMs表面，氮气气封备用；最后将测试仪反复清洗数次后，将样品贴于模型块上装机进行测试。其中在电解液为KCl(10-3molL-1)的条件下，用0.1molL-1的HCl或NaOH调节电解液的pH大小，测试不同pH值时样品表面的Zeta电位值(n＝4)。
2、将实施例1～6制备的自组装分子膜表面进行蛋白吸附的测试，测试结果如图7所示。图7为实施例1-6所制备复合自组装单分子膜表面吸附浓度为10μgmL-1的碘标记骨桥蛋白(125I-OPN)的吸附量柱状图。
利用放射性同位素125I标记骨桥蛋白OPN(osteopontin,R&DSystems,USA)，分析表面对OPN吸附行为的影响。Iodogen法标记法的具体步骤如下：首先是制备高比度、高纯度及免疫化学活性好的标记物，将Iodogen(Sigma,USA)溶于1mgmL-1的二氯甲烷中，取10μL涂于管底，用氮气吹干密封备用；标记时，取2μL浓度为1μgμL-1的OPN溶液置于反应管中进行碘化反应，持续搅拌10min后终止反应；其次是分离纯化标记物，利用SephadexTMG-25Medium(GEHealthcare,Bio-sciencesAB,Sweden)进行分离纯化，称取颗粒状SephadexTMG-25Medium粉末3g浸泡在15mLPBS中溶胀过夜，进行装柱，再加入2％BSA(Sigma,USA)溶液平衡柱子；反应液进入柱床，继续加入PBS进行洗脱收集，每两滴收集一管并用γ放射免疫计数器(Gammaradioimmunoassaycounter,USTCChuangxinCo.,Ltd.ZonkiaBranch,China)定量测定；最后根据放射性活度计算125I-OPN的标记率，即碘化效率＝结合125I峰的放射性活度/(结合125I峰的放射性活度+自由峰的放射性活度)。蛋白吸附实验的具体步骤如下：将活度较高的两管的标记蛋白进行稀释至浓度为10μgmL-1；在室温下取100μL125I-OPN溶液覆盖样品并孵育1h；PBS清洗数次，取出样品至EP管中；利用γ放射免疫计数器定量测定吸附OPN的数量；在室温下，将吸附125I-OPN的样品经10％FBS的完全培养基(Gibco,USA)浸泡1h；PBS清洗数次后转移到新的EP管中；再次利用计数器测定洗脱后OPN的数量。

Claims (10)

1.一种氨基/羧基复合自组装分子膜表面的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
a、将基底物进行预处理，得到表面洁净的基底；
b、将步骤a中的基底浸没在含有-NH2的有机化合物的溶液中，进行反应，洗涤、吹干，得到氨基化学修饰的自组装分子膜；所述含有-NH2的有机化合物能够在基底上形成自组装分子膜；
c、将步骤b中负载有氨基化学修饰的自组装分子膜的基底浸泡在卤代烷酸与催化剂的混合溶液中进行酸化处理，取出基底，清洗浸泡，吸去盐分，吹干，得到氨基/羧基复合自组装分子膜表面。
2.根据权利要求1所述氨基/羧基复合自组装分子膜表面的制备方法，其特征在于：步骤b所述含有-NH2的有机化合物为含有-NH2的有机硅烷，含有-NH2的烷基硫醇，含有-NH2的二羟基硫化物或含有-NH2的二羟基二硫化物。
3.根据权利要求2所述氨基/羧基复合自组装分子膜表面的制备方法，其特征在于：所述含有-NH2的有机化合物为末端为-NH2的有机硅烷或末端为氨基的烷基硫醇。
4.根据权利要求1所述氨基/羧基复合自组装分子膜表面的制备方法，其特征在于：步骤b所述含有-NH2的有机化合物的溶液中含有-NH2的有机化合物浓度为0.5～2mM；步骤c中所述催化剂与卤代烷酸的摩尔比≥2；步骤c中所述混合溶液中催化剂的浓度为1～4M，卤代烷酸的浓度为0.5～2M。
5.根据权利要求1所述氨基/羧基复合自组装分子膜表面的制备方法，其特征在于：步骤b所述反应的时间为4～24h，反应的温度为室温；步骤c中所述酸化处理的时间为0.5～12h。
6.根据权利要求1所述氨基/羧基复合自组装分子膜表面的制备方法，其特征在于：步骤b中所述含有-NH2的有机化合物的溶液中溶剂为醇溶剂；步骤c中所述催化剂为强碱；步骤c所述卤代烷酸为溴代乙酸或氯代乙酸。
7.根据权利要求1所述氨基/羧基复合自组装分子膜表面的制备方法，其特征在于：步骤c中所述清洗浸泡是指采用超纯水清洗浸泡，所述浸泡的时间为6～24h；
步骤b所述洗涤采用无水乙醇进行洗涤，所述吹干是指采用惰性气体进行吹干；所述惰性气体为氮气。
8.根据权利要求1所述氨基/羧基复合自组装分子膜表面的制备方法，其特征在于：步骤a所述预处理是指将基底物浸泡于H2O2/H2SO4溶液中，清洗，惰性气体吹干；步骤a中所述H2O2/H2SO4溶液中H2O2/H2SO4的体积比为(1/10)～(5/5)；所述浸泡时间为5～30min，所述清洗是指采用无水乙醇和超纯水交替清洗；所述惰性气体为氮气。
9.一种由权利要求1～8任一项所述制备方法得到的氨基/羧基复合自组装分子膜表面。
10.根据权利要求9所述氨基/羧基复合自组装分子膜表面在生物材料领域的应用。
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