固体表面的非特异性蛋白吸附、细菌粘附及随后所形成的生物膜会损害材料固有的性能， 特别是对于生物医用材料、光电元件等，这种影响更为严重。这种材料表面形成的生物薄层可统称为生物污染。阻止材料表面生物污染的最简便且有效的方法是在材料表面引入具有防污能力的高分子材料。大量的研究表明，亲水性聚合物(以聚乙二醇(PEG)为主)可有效阻止材料表面的生物污染。但是，这些具有良好防污能力的聚合物却很难直接应用到各种不同表面特性的材料上，往往需要根据材料的特性，借助特定的相互作用引入此类防污聚合物。此外，虽然PEG被广泛地用于抗生物污染的研究，但是PEG在使用过程中并不稳定，尤其是有氧化剂或过渡金属离子(如Fe3+等)时更容易被氧化。同时，PEG在温度升高时导致与水分子之间的氢键减弱，造成脱水，因此PEG并不适用于温度较高(>35℃)的环境。
聚(N-乙烯基吡咯烷酮)(PVP)是另外一种广泛使用和容易获得的具有良好生物相容性的亲水性聚合物。与PEG相比，PVP对氧化剂更稳定、与水分子之间的氢键作用更强，更适合长期使用。此外，已报道的文献亦证实PVP具有优异的防污特性。但是，现有的文献中大多是将PVP作为附加的防污成分引入到防污体系中，防污性能的长期稳定性仍有待于提高。
针对上述存在的问题，团队以N-乙烯基吡咯烷酮(VP)为亲水性防污单元，以贻贝蛋白中的功能性粘附基团为锚定单元，采用可逆加成-断裂链转移(RAFT)活性聚合手段，首次合成了含有PVP防污嵌段和聚多巴胺丙烯酰胺(PDAA)锚定嵌段的线形(AB型和ABA型)、三臂和四臂仿贻贝蛋白聚合物（图1）。这些具有不同拓扑结构的仿贻贝蛋白聚合物可以在玻璃、金属及塑料等不同表面形成坚固的防污涂层，涂层在基底上的粘附力均达到最高水平5B，并分别呈现出刷形（AB型聚合物)、环形(ABA型聚合物)、三足状(三臂聚合物)及四足状(四臂聚合物)的微纳结构。聚合物修饰的表面形貌与聚合物的拓扑结构存在强烈的依赖关系。研究结果表明，随着聚合物拓扑结构由线性结构向四臂结构演变，表面形貌由光滑表面逐渐演变为纳米级粗糙表面，其中四臂聚合物修饰的表面呈现出与天然超亲水天鹅绒竹芋(Calathea zebrine)和细叶草(Ruellia devosiana)叶片类似的微观结构；涂层的亲水性随PVP分子量及表面粗糙度的增大而增大，其中四臂聚合物展现出超亲水性表面特性，水接触角低至8.7º。抗蛋白吸附和抗细菌粘附测试实验表明，防污效果与聚合物的分子量和聚合物的臂数均呈现出正相关关系，其中低分子量的线性AB型聚合物的防污效果最差，高分子量的四臂聚合物的防污效果最好。细胞毒性研究表明，所有的聚合物都表现出良好的细胞相容性。该论文提供了一种通过简单地控制亲水性聚合物的拓扑结构来构建超亲水性表面进而调控防污性能的新的方法。这些合成的生物相容性聚合物在抗蛋白质吸附、抗菌和抗海洋生物污染等领域具有广泛的应用前景。
图1.合成的具有不同拓扑结构的仿贻贝蛋白聚合物在基底上的微纳结构
2021级硕士研究生熊晨曦和2018级本科生熊文娟为该论文的共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家级大学生创新训练项目和江汉大学启动基金的支持，相关研究成果于近期发表在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry B上 (J. Mater. Chem. B, 2022, 10, 9295-9304.)。
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