以天然生物被膜為啟發(fā)：科學(xué)家用D型氨基酸造出防污新材料，可避免海洋防污劑大量使用
文章來源：新能源網(wǎng) 更新時(shí)間：2024-09-26 16:16:43
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前不久，95 后科學(xué)家李祥宇為海洋工程材料披上了一層致密的“防護(hù)鎧甲”，讓海洋防污迎來了一種新策略。
李祥宇所在的遼寧省，是中國的一個(gè)沿海省份。他所任職的東北大學(xué)，便位于該省的沈陽市。
作為沿海省份的一名科研人員，他將自身所長和地域需求加以結(jié)合，從清華大學(xué)博士畢業(yè)后一直專注于研究海洋防污，入選了中國博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃，并獲得海洋強(qiáng)國青年科學(xué)家提名獎。
與此同時(shí)，我國海域總面積約為 473 萬平方千米。因此，李祥宇的研究方向是一個(gè)富有應(yīng)用前景的科研領(lǐng)域。
近日，他和團(tuán)隊(duì)造出一種金屬有機(jī)框架材料涂層，兼具殺菌功能和生物被膜驅(qū)散功能，能夠?qū)崿F(xiàn)自觸發(fā)防污，同時(shí)本次策略具備基底普適生長的優(yōu)勢。
在海洋防污領(lǐng)域，憑借獨(dú)特的防污增效性能，本次涂層材料能避免海洋防污劑的大量使用，降低防污涂層的環(huán)境危害性并延長其服役壽命。
在工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療健康等領(lǐng)域，面對無處不在的生物被膜，本次涂層材料可以有效提高工業(yè)設(shè)備在復(fù)雜生物環(huán)境中的服役壽命，提高醫(yī)療植入體和人體之間的生物兼容性，進(jìn)而避免感染等情況的發(fā)生。
近年來，隨著中國海洋強(qiáng)國、軍民融合等戰(zhàn)略的推行，海洋資源的開發(fā)利用已成為提高綜合國力和爭奪戰(zhàn)略優(yōu)勢的制高點(diǎn)。
然而，在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中，大量的微生物、動植物不可避免地在工程設(shè)施表面黏附、生長和繁殖，以至于會引發(fā)嚴(yán)重的海洋生物污損，從而成為困擾海洋工程材料發(fā)展的長期性難題。
而現(xiàn)階段的海洋防污涂層大多面臨著環(huán)境危害大、服役壽命短、防污效果差的缺點(diǎn)，嚴(yán)重阻礙海洋經(jīng)濟(jì)的快速可持續(xù)發(fā)展。
如何通過剖析污損過程針對性地設(shè)計(jì)全新的防污機(jī)理，從根本上開發(fā)新型防污材料，是突破該領(lǐng)域卡脖子技術(shù)的關(guān)鍵所在。
研究發(fā)現(xiàn)，由細(xì)菌、胞外聚合物等構(gòu)成的生物被膜，是海洋生物污損形成的關(guān)鍵步驟。
如能抑制生物被膜的形成，則有望為海洋防污提供有效的技術(shù)途徑。
然而，相比于游離的細(xì)菌，生物被膜作為微生物的保護(hù)性框架，具有普適性生長、黏附能力強(qiáng)、持續(xù)反復(fù)的特點(diǎn)。
即使采用高含量的殺菌劑，也難以抑制生物被膜的形成，反而會造成細(xì)菌耐藥性的問題。
此外，對于成熟的生物被膜的根除更是面臨巨大的困難，即使是光熱、光催化、化學(xué)動力學(xué)等前沿殺菌策略也束手無策。
2010 年，研究人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌自我分泌的 D 型氨基酸是促進(jìn)生物被膜天然分解的關(guān)鍵信號。
而李祥宇所在的課題組也是國際上最早開展生物被膜分解增效劑研究的團(tuán)隊(duì)之一。
他和同事發(fā)現(xiàn)：利用生物功能信號分子 D-氨基酸作為殺菌劑增效劑，通過 D-氨基酸的“開關(guān)”作用，可以實(shí)現(xiàn)細(xì)菌生物被膜的快速驅(qū)散。
借此能將難以殺死的細(xì)菌生物被膜轉(zhuǎn)化為容易被殺死的游離態(tài)細(xì)菌，從而幫助殺菌劑更有效地殺死細(xì)菌生物被膜。
在降低殺菌劑使用量的前提下，能將殺菌效率提高 102-104 倍。
然而，由于采用的是殺菌劑與 D 型氨基酸的藥劑復(fù)配體系，這種小分子游離形式面臨易失活、壽命短、難循環(huán)的難題，會讓抗菌防污效果難以持續(xù)。
為此，李祥宇和同事一直在思考能否制備一種含有殺菌劑與 D 型氨基酸的穩(wěn)定一體化防污材料。
“兩年前的一個(gè)夜晚，我突然想到金屬有機(jī)框架材料本身具有結(jié)構(gòu)可控、活性位點(diǎn)多、孔隙率高的優(yōu)點(diǎn)，那么能否用金屬有機(jī)框架材料來實(shí)現(xiàn)一體化的構(gòu)建呢？”他說。
第二天，他就開始著手調(diào)研文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)氨基酸基金屬有機(jī)框架材料報(bào)道較少，對于手性抗菌防污的研究更是處于空白地帶。
于是，他和同事制定出詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案，針對金屬有機(jī)框架材料中心抗菌金屬離子和氨基酸配體進(jìn)行上百次的組合優(yōu)化。
為的是能夠設(shè)計(jì)一種“一劑多效”的防污材料，實(shí)現(xiàn)抗菌與驅(qū)散的一體化，并能提出一些關(guān)于手性防污的全新觀點(diǎn)。
在他們的設(shè)想中：材料在發(fā)揮防污作用時(shí)好比拆房子一樣。
材料能把生物被膜、也就是把微生物的“房子”骨架先拆除，進(jìn)一步將每個(gè)細(xì)菌“磚塊”逐一擊破，從而實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的表面防護(hù)。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們先是篩出合適的金屬有機(jī)框架材料構(gòu)筑單元，并從中心離子上和配體上進(jìn)行多次組合驗(yàn)證。
“基本上所有的手性氨基酸我們都試了一遍，借此篩出了幾種具有優(yōu)異防污功能的金屬有機(jī)框架材料。”李祥宇說。
隨后，針對這些候選材料的微觀形貌、配位方式和成核生長過程加以研究，這讓他們得以針對手性氨基酸金屬有機(jī)框架材料構(gòu)筑，建立出一套較為完整的方法論。
不過，在實(shí)際應(yīng)用中金屬有機(jī)框架材料始終存在一個(gè)弊端，即由于其本征粉體的性質(zhì)，導(dǎo)致它很難直接在基底表面實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。
此前人們普遍采用的有機(jī)基質(zhì)共混的方法，也一直面臨著金屬有機(jī)框架材料易團(tuán)聚、有效成分低的問題。
為此，李祥宇一直在思考：到底有沒有一種方法能讓所開發(fā)的手性金屬有機(jī)框架材料，以均勻、致密的方式生長在任何基底表面？
“后來，我想到自己在讀博期間一直做的多巴胺涂層，其具有基底普適、黏附強(qiáng)度大的優(yōu)勢。
通過利用這種涂層和經(jīng)過多次優(yōu)化，我們篩選得到一種具有優(yōu)異涂覆性質(zhì)的基于金屬多酚網(wǎng)絡(luò)的前驅(qū)體涂層。”李祥宇表示。
前驅(qū)體涂層中的金屬離子，不僅能通過調(diào)控席夫堿反應(yīng)等自聚過程來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定界面的包覆，還能作為金屬有機(jī)框架材料原位礦化生長的關(guān)鍵成核位點(diǎn)。
在此基礎(chǔ)之上，他們將把無定型的前驅(qū)體涂層涂層、和結(jié)晶的金屬有機(jī)框架材料進(jìn)行有效結(jié)合，從而在多種類型基底材料表構(gòu)建了手性防污涂層。
進(jìn)一步地，課題組針對涂層的游離細(xì)菌殺滅、生物被膜形成抑制、成熟生物被膜驅(qū)散均等功能進(jìn)行詳細(xì)評估。
并通過組學(xué)和材料學(xué)等多學(xué)科交叉方式，探討了手性金屬有機(jī)框架材料的防污機(jī)理，同時(shí)還利用 RNA 測序轉(zhuǎn)錄組學(xué)證明手性氨基酸具有獨(dú)特的生物被膜驅(qū)散機(jī)理。
在細(xì)菌生物被膜的基礎(chǔ)之上，他們又研究了防海洋微藻的粘附能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)手性金屬有機(jī)框架材料具有獨(dú)特的光致發(fā)光特性。
而且它的發(fā)光波段恰好處于能夠有效抑制微藻定殖的波段范圍內(nèi)，故能讓協(xié)同防污效果得到進(jìn)一步提高。
據(jù)李祥宇介紹，研究伊始他和同事曾想設(shè)計(jì)抗菌元素和手性氨基酸整合的金屬有機(jī)框架材料結(jié)構(gòu)。
在材料的制備驗(yàn)證中，他們將氯化銅溶液滴加到手性甲硫氨酸溶液之中，瞬間就出現(xiàn)了藍(lán)色沉淀。
通過后續(xù)的形貌表征和組成表征，課題組確定了本次材料的金屬有機(jī)框架材料屬性。
期間也發(fā)現(xiàn)了不少有趣現(xiàn)象，比如通過改變反應(yīng)物比例、溶劑、溫度、pH 等反應(yīng)條件，他們發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物會同步地發(fā)生顏色變化。
這激發(fā)了他們進(jìn)一步深入研究的熱情，于是該團(tuán)隊(duì)收集了各種反應(yīng)條件下的產(chǎn)物。
并對其進(jìn)行掃描電鏡觀察，借此發(fā)現(xiàn)不同反應(yīng)條件下的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，既有二維納米片狀、也有花瓣?duì)罴{米團(tuán)簇。
通過此，他們針對手性氨基酸金屬有機(jī)框架材料形貌實(shí)現(xiàn)了精確調(diào)控。
與此同時(shí)，他們也產(chǎn)生了一個(gè)疑問：形貌結(jié)構(gòu)演變的過程和原理是什么？
抱著刨根問底的態(tài)度，課題組針對整個(gè)反應(yīng)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，結(jié)果觀察到了金屬有機(jī)框架材料從不完全球體的錐形片層結(jié)構(gòu)、到各向同性納米團(tuán)簇的定向生長過程。
也正是這一過程，為他們打造手性氨基酸金屬有機(jī)框架材料體系提供了有力支撐。
通過此，他們成功構(gòu)建出基于銅離子和 D 型甲硫氨酸體系的全新金屬有機(jī)框架材料，并采用金屬多酚網(wǎng)絡(luò)，得以在任何基底表面都能實(shí)現(xiàn)普適化構(gòu)筑。
進(jìn)一步地，該團(tuán)隊(duì)擴(kuò)展了手性氨基酸配體體系，發(fā)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)思路能夠適用于多種手性金屬有機(jī)框架材料的構(gòu)筑。
最終，他們建立了基于氨基酸的新型防污金屬有機(jī)框架材料的制備策略。
東北大學(xué)博士生于智群和李祥宇教授是共同一作，李祥宇和東北大學(xué)徐大可教授擔(dān)任共同通訊作者 [1]。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Advanced Materials）
目前，他們正在優(yōu)化可用于實(shí)際海域的防污涂層配方工藝，并已取得不錯(cuò)的效果。另外，也打算與其他學(xué)科的學(xué)者開展合作，探索手性金屬有機(jī)框架材料在醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
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