蛋白质在固体表面上的吸附是常见的自然现象，但会对生物相容性材料的设计，分析装置的改进以及对结垢的控制等带来诸多不便。这一过程与材料表面的润湿性息息相关，而表面润湿性又受到表面粗糙度，表面能和化学成分等的影响。一般来说，由于疏水相互作用的存在，疏水性蛋白质与表面的亲和力往往比亲水性蛋白质高。因此，构建超亲水的表面有望解决蛋白质的吸附问题。在这一方面，大自然为我们提供了很好的范例。基于特殊的纳米结构和化学成分产生的超湿行为（superwetting behavior）使游弋在水中的鱼儿无惧微生物的侵扰。虽然跟蛋白质吸附有关的机理还未能得到清晰的阐释，但构造超湿表面来抵抗细菌、细胞及其他生物机体的粘附仍然是有着迫切现实意义的。中科院理化所江雷院士课题组的董智超研究员、田野研究员设计合成了具有超级两亲性的纳米TiO2涂层，能够有效防止非特异性蛋白质的吸附。在纳米结构表面形成的强力水膜是优异蛋白质防污能力的来源，它阻碍了蛋白质分子与TiO2的接触。研究成果以Superamphiphilic TiO2 Composite Surface for Protein Antifouling为题，发表在《Advanced Materials》上。

【超两亲性TiO2涂层的制备和特性】

首先使用常规方法制备TiO2的复合胶体溶液，其中TiO2的质量分数为1.4％，再用喷雾法将其涂覆于清洁干燥的二氧化硅基板上，或用微通道改性法涂布在毛细管内壁。

二氧化硅基底上的纳米TiO2涂层水/油接触角都十分接近0°，粗糙度Ra = 2.01 nm。将带涂层的基板置于含异硫氰酸荧光素（FITC）-溶菌酶的溶液中，用水冲洗后，使用荧光显微镜观测蛋白质的吸附状况。超两亲性涂层表面（SAC表面）对蛋白质吸附具有很强的抵抗力，暴露2 h后，未观察到蛋白质的任何残留。这种防污性能可以归因于蛋白质和超两亲性界面之间的特殊相互作用。为了进一步研究蛋白质与基板之间的相互作用，使用了粘附力光谱法来确定SAC表面和纯的二氧化硅表面对蛋白质的粘附力，前者仅为0.39±0.17 Nn，而后者为1.28±0.23 nN。SAC表面明显比裸露的二氧化硅表面更亲水，这表明SAC的纳米结构与水的相互作用比与二氧化硅表面的相互作用更强。SAC表面可以完全被水润湿，形成稳定的致密水膜，从而方便蛋白质分子在上面滑动，并有效防止蛋白质与TiO2分子之间的“亲密”接触。这层水膜是SAC涂层显著防污能力的主要来源。

【水膜的形成机制和防污作用】

为了评估界面水膜的性质，在SAC表面和亲水性二氧化硅表面上分别进行了跌落冲击实验，这是一种研究基材润湿性的有效方法。在80％的湿度下，两个表面上都存在着超薄的水膜层。使用高速相机记录了2 ?L的液滴从特定高度处下落并冲击水膜的全过程。滴落的水滴接触SAC表面时先反弹，而后重新掉落并完全散布在表面上。先前的研究表明，气液界面上水滴中的水分子排列规则且牢固，其氢原子指向空气。因而被吸附的水分子在超两亲性TiO2复合材料表面会形成牢固的氢键键合，且其氢原子都指向空气。此外，由于毛细作用力的存在，复合涂层中基于TiO2的纳米孔增强了水的快速芯吸作用，形成了表面亲水性强的亲水性网络。因此当水滴冲击被超薄水膜包裹的超两亲表面时，水滴中的氧原子与受约束的水分子之间的静电排斥力迫使水滴反弹。而由于第一次撞击过程中的能量损失，在空气-水界面处的水分子会重新排列转化为散装水，从而导致第二次下落时液滴在两亲表面上扩散。相较于纯的二氧化硅基板而言，SAC表面能够将水膜紧密束缚在表面上。

进而通过拉曼光谱法确认了SAC和二氧化硅表面附近的水分子结构和取向（图2c，d）。对3000至3800 cm-1之间宽的光谱吸收带进行分峰，可以得到以3600、3400和3200 cm-1为中心的三个峰。分别对应于游离OH、强氢键合的OH基团和键合的OH基团。SAC表面的水在3200和3400 cm-1处显示出比亲水性二氧化硅表面更强的峰，这预示着SAC上存在更强的氢键相互作用和更规则的H2O网络。水分子与TiO2复合物之间的强氢键形成了牢固结合的水层，它们在超两亲性表面周围和纳米颗粒之间堆叠，形成高度有序的连续网络。而二氧化硅表面水膜中的水分子是不规则且松散的。SAC表面超强的蛋白质防污特性可以通过界面水在表面的特定取向来解释。SAC表面的强力水合层在与蛋白质后接触后不会受到破坏，并有效地防止了TiO2分子与蛋白质之间的近距离接触。因而限制在TiO2复合涂层纳米级结构中的具有强水化作用的水膜可以有效地抑制蛋白质在表面上的粘附。

【结论】

构建超强两亲性涂层（SAC）是赋予界面优异防污性能的重要手段。纳米复合TiO2表面上牢固结合的水膜起着阻挡层的作用，有效隔绝蛋白质分子在水/固体界面上的接触或吸附。内壁装饰有SAC的毛细管在毛细管电泳的生物分析过程中也表现出显著的防污性能。基于SAC的低蛋白质吸附特性还有望促进流体操作工艺的发展，并在生物分析技术，生物医学以及环境等相关领域应用。

文章来源：https://doi.org/10.1002/adma.202003559