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沸石与蛋白质的相互作用及生物医用功能-沸石颗
发布时间:2021-03-02 15:36
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沸石颗粒由于其低毒性和良好的生物相容性, 被认为是可用于医疗的新型生物材料。沸石以其离子交换、表面性质以及可控孔道结构与蛋白质发生特异性结合或反应, 从而影响蛋白质的性能和行为; 重点讨论了其在生物医用领域的应用, 主要包括抗微生物材料和紧急止血材料两大应用。跟着沸石颗粒厂家一起来看看吧~

一、沸石与蛋白质的相互作用
蛋白质是生命的物质基础。蛋白质在材料表面的行为对于生物体内材料界面的性质起到重要作用。材料表面吸附蛋白质会影响凝血、免疫应答、补体激活、颗粒吞噬、细胞及细菌黏附等过程.蛋白质存在于材料表面,可以通过分子间力与材料发生相互作用,如化学键、疏水反应以及电荷传递反应。影响与蛋白质相互作用的材料性能主要包括尺寸、形貌、电荷、亲疏水性、表面势能和表面基团等。其中,蛋白质的吸附是分子从溶液中扩散、接近并黏附在固体材料表面的过程,除了蛋白质和材料表面性质之外,吸附还取决于分子与表面作用的溶液环境。
沸石比其它负载蛋白质的多孔材料成本低,且结构稳定,与蛋白质结合形成复合材料后,也能保持有效且稳定的状态 。沸石具有确定且可控的结构,目前国际沸石协会结构委员会公开结构的沸石数量已经达到252种。此外,沸石的金属离子交换性质使得特定骨架的沸石可以包含不同种类的金属阳离子。可控的结构、可变的组成使得沸石与蛋白质复合的可调控范围较广。蛋白质表面暴露的氨基酸能伸入沸石表面的有序孔道内,形成特定的结合区域,调控蛋白质在沸石表面的特异性吸附以及构象变化。沸石表面对蛋白质的构象、行为及性能的调控,不论是正调控,还是负调控,在生物医用领域都将发挥重要的作用。
除蛋白质选择性吸附行为之外,人们更加关心蛋白质在沸石表面的生物功能和活性变化。蛋白质分子由大量的氨基酸组成并且具有可变的构象,意味着蛋白质表面局部不均一的带电荷情况和基团分布,蛋白质可能以不同的空间取向以及作用区域去接触材料表面。当蛋白质吸附在材料表面时将会产生取向性,即蛋白质分子的一部分特定区域与材料接触,另一部分则暴露在溶液体系中。吸附的取向对那些有局域生物活性的分子,如酶、抗体、受体等蛋白质具有重要意义。吸附在沸石表面的蛋白质除了调整取向以适当的区域结合材料,还会在结合沸石过程中调整分子构象,以增强蛋白质与沸石的结合稳定性及能量最小化。吸附的构象往往决定蛋白质的带电荷情况和基团分布,影响其活性变化和生物功能。
二、沸石的抗微生物性能
目前,沸石的抗微生物性能主要包括抗细菌、抗病毒、抗真菌等。沸石表面对微生物具有一定的吸附作用。细菌的尺寸一般为0。2~5 μm,病毒的尺寸一般在100 nm以下,沸石通过静电作用能吸附小尺寸的细菌和病毒。Grce等探究了微米级的天然斜发沸石对腺病毒-5(VR-5,无囊膜,65~80 nm)、疱疹病毒(VR-733,有脂蛋白囊膜,100~200 nm)、肠道病毒的柯萨奇病毒B5(VR-185)和埃可病毒7型(VR-37,20~30 nm,小RNA病毒)的抑制作用。实验结果表明,沸石浓度较高(50 mg/mL)时,病毒滴度最低,沸石抑制病毒的效力最高。
利用具有抗微生物作用的金属离子与沸石孔道和笼中的阳离子发生交换,可使沸石具备抗菌及抗病毒性能。文献报道,交换了Ag+,Zn2+,Cu2+等阳离子的沸石具有高效的抗微生物效果。其中,Ag+是最常见的抗菌材料,其对细菌的灭活性和对人体及动物的细胞毒性依赖于Ag+的浓度。尽管有关Zn2+,Cu2+的研究较少,但最近的报道表明它们具有抗微生物的潜力,可以对多种细菌或者病毒进行灭活。Ag+具有良好的抗微生物性能,其抗菌机理主要有3种解释:(1)Ag+与细菌蛋白质中的巯基结合,使得蛋白质失去活力,导致细菌无法正常代谢和生存后死亡;(2)干扰核酸分子,使其丧失复制能力;(3)Ag+通过催化使得水分子和氧内部发生跃迁,产生游离的羟基自由基和活性氧离子,对细菌的生长产生抑制和灭杀作用,以达到杀菌效果。
与游离的金属离子(如Ag+,Zn2+,Cu2+)相比,在沸石孔道和笼中的金属离子在实际应用中具有更大的意义。通常,游离的金属离子容易氧化,导致抗菌、抗病毒性能降低;而沸石的金属孔道和笼中的金属离子具有一定的稳定性,可保持长时间的抗微生物性能。此外,在沸石结构中包含金属离子可实现受控释放,可缓慢释放金属离子达到抗菌抗病毒的最低剂量而不对人体造成毒害。
三、沸石表面的促凝血功能
20世纪80年代,Francis X。Hursey发现了沸石具有快速止血的功能。2002年,第一代沸石止血产品Quikclot(Z-medica Inc.,USA)作为急救装备在阿富汗和伊拉克战场投入使用,其主要成分为Ca-A型沸石。在实际应用中,尤其在大出血情况下,沸石展现出了优于传统止血材料的止血效果和存活率。目前,研究人员认为沸石材料主要通过(1)从血液中吸收水分,浓缩血液成分;(2)激活血液的内源性凝血通道;(3)提供物理屏障三方面的结合来促进快速止血。在第一代以纯沸石颗粒形式的止血产品Quikclot之后,人们探索了沸石颗粒大小对促凝血效果的影响,发现相对微米尺寸的沸石,纳米尺寸的FAU沸石可以更快地激活凝血,具有更好的促凝血效果。人们还陆续开发了以沸石为基础的多种新型止血剂,如Mortazavi等将膨润土与沸石结合,在减少总放热的同时,也降低了出血量.另外,通过对沸石中的金属阳离子进行离子交换和预水合,能显著降低沸石的热效应,并且带来额外的抗菌性能。Yu等利用原位生长技术将沸石颗粒结合在纤维表面,以减少沸石在伤口的残留,并方 便止血后的伤口清理。该合成技术还可将沸石生长在普通的衣服上,能够提供全时、及时、方便的紧急止血救治。
尽管上述的机理在一定程度上解释了沸石促凝现象,但仍然存在一定缺陷。如果仅考虑沸石吸水富集的特点,无法解释其相对传统吸水性材料(如棉花、活性炭)的优势;Ca2+作为凝血通道的凝血因子IV具有促进血液凝固的作用,而沸石表面的Ca2+如何影响其促凝血效果尚未明确;沸石表面激活凝血通道的假说具有一定的说服力,但是未得到沸石与蛋白质相互作用的实验证据支持,需要进一步深入研究。
目前,对沸石表面的作用以及蛋白质冠内凝血酶的激活机理仍然存在许多的未知。基于凝血酶的活力变化和沸石的结构特点,可能存在的原因有:(1)沸石表面引起蛋白质整体构象或者微环境的变化,使得凝血酶具有合适的反应构象;(2)沸石表面多种血浆蛋白质的相互作用使得凝血酶在沸石表面维持特定的构象与性能。
基于沸石表面的酸碱性质、多孔性及离子交换特性,其与蛋白质发生特定的结合与相互作用,蛋白质在沸石表面可选择性吸附并且具有特定取向及吸附构象,因而在抗微生物、紧急止血两大领域有着重要的应用价值。


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