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1、k抗污损涂层：抑制蛋白质，微生物以及海洋有机体的表面污损研究进展本文对抑制由蛋白质，微生物以及海洋有机体引起的表面污损的主要技术进行了综述。生物污损在从生物传感器到生物医药植入物，以及从食物包装到工业和航海仪器等广泛应用领域引起了很大的关注。解决表面污损的两个主要方法，分离或者降解污物。其中一个分离连粘的阻力的关键技术包含用聚合物(乙烯乙二醇)(PEG)和低聚糖(乙烯乙二醇)对表面进行功能化处理。一些PEG的替代物涂层也在过去十年里出现了。尽管抑蛋白涂层可以抑制细菌的连粘以及随后的生物膜形成，我们仍然非常期待设计涂层是杀菌的，以此来克服细菌感染的污物风险。传统的技术包括释放杀菌剂，还有抗生素，
2、四价铵盐(QAS)，及银到周围环境的涂层。然而，耐抗生素及银的致病菌株的出现使得发展替代技术成为必然需求。因此，其他基于使用聚合阳离子，酶，纳米材料及感光剂的技术正在进行研究。考虑到航海抗污涂层，其在释放杀菌剂涂层的一些局限性，使得下一代无毒抗污表面非常重要。尽管早抗污涂层领域取得了大量的进步，我们在这一领域接下来的研究在将来会带来更好的抗污材料。1. 介绍生物污损或者生物污染在广泛的应用中是相关的，包括但不限于以下应用，医院里的外科仪器和防护服，医用植入器，生物传感器，纺布，食物包装和食物储存，水净化系统，以及航海和工业仪器。16-20在医用导尿管，义肢配件，和连接的镜头中，在类似酶间免疫吸
3、附剂实验(ELISA)的免疫吸附剂实验中，在药物传导器件中，在模式化的细胞培养中，阻止蛋白质和微生物的非选择性吸附的表面材料也非常重要。21-24在体外诊断这种情况下, 如免疫吸附剂实验，蛋白质的吸附可以降低敏感程度。21在生物植入版中，蛋白质污损降低了器件的效率并且会产生糟糕的副作用，比如血栓症。25此外，在生物植入器上的蛋白质吸附和随后形成的蛋白质层为微生物繁殖及随后的生物膜形成提供了一个调节层。在食品行业，医院，和社区设施中23,26-28，微生物污染及相关的感染危害是的最严重的并发症之一。细菌与表面的联接部分促成了后来的繁殖区，导致了生物膜的形成。23,29,30细菌对表面的粘附通过不
4、同类型的相互作用进行协调，这些相互作用具有选择性，例如通过一个在表面已经形成的蛋白膜，或者通过通过非选择性的相互作用。30-32生物膜的形成在类似导尿管，义肢器件以及连接镜头的生物植入器不断蔓延24对于已经被污染的医疗器件，包括外科手术替换用品，典型的处理生物膜的办法伴随着长久的抗生素治疗手段，抗生素治疗手段引发了额外的维护健康的损失。26这样的处理办法通常与长期的住院治疗，发病率，严重的功能损伤，和增加的死亡率33有联系。当谈到细菌传染的威胁生命的传染疾病，尤其当由耐抗生素菌群26,28,29引起时，生物污染被广泛关注。在由病原性细菌引发的传染病的众多案例中，在医院和社区设备1,34,35中
5、的耐甲氧西林葡萄糖黄金菌落作为媒介的传染病已经被广泛关注。在表面遭受水生环境时，水生环境里的微生物能够吸附在表面上并形成一个的调节层，这个调节层可为如硅藻类和海藻等其他水生物钟提供可获得的平台来吸附和增殖17,36,37，污损在这种情况下也会得到关注。与生物污损相关的关键问题包括增加的操作和维护成本，因为污损的水管和船体还有非生物材料的降解，等等。18,20图1. 图表描述了制造抗污损表面的不同方法因此，我们回顾了制备抗生物污染黏连或分解、杀死他们的抗污损涂层10,21,38-56的关键策略。我们讨论了不同的方法，包括聚合物固化，例如在表面的聚合体(乙二醇)(PEG)，光活化自洁涂层，杀菌剂的
6、掺入(银，抗生素，纳米颗粒，聚合阳离子，酶，以及抗微生物肽)，还有使结构化的表面(图 1)。这篇综述特别侧重于与蛋白质抗污损，抗微生物肽，和海洋防污损的应用相关策略的近期发展。2. 抗蛋白质污损涂层2.1 基于PEG的涂层固化PEG是其中一个最普遍的使用方法，以赋予表面蛋白质抗性。基于PEG涂层的抗污损性能已经在文献25,38,57-63中被广泛报道。物理吸附，化学吸附，直接共价连接，和嵌段或接枝共聚等技术已经在PEG连接表面上使用。63低于某一限度时，PEG链的物理吸附或者共价连接通常不能减少蛋白质吸附，因为限制连接的聚合物链64,66密度的位阻问题。一些研究想要理论性地了解通过将PEG连接
7、到表面以赋予其抗抗蛋白质的性能。67-74 Jeon等人研究了关于PEG功能化表面对特定蛋白质的抗性的原理。67他们认为PEG链封端连接到疏水的基底上并置于水中。蛋白质建模成一个平行于基底的无限长的团块，具结合物链与水的间隔所分离(图2)。根据他们的研究，蛋白质对着基底的这个方法导致了PEG的压缩，从而产生了排斥弹力。此外，在压缩时水分子从水化聚合物链移除产生了一个热力学不利的渗透性问题。这个不利的弹性压力和渗透压力产生了一个斥力，它的大小取决于PEG在表面的密度和其链的长度。文章总结表面的蛋白质抗性应该是随着表面上嫁接PEG的密度和其链长单调增加。Jeon和Andrade后来拓展了这些研究，
8、通过建模见摆在设成有限的空间颗粒并且也得出结论对于一个给定的聚合物表面密度，侧链的增加会导致蛋白质抗性的增加。图 2 模拟图像通过Jeon等人的理论研究得到，描述了在水中无限尺度的蛋白质与末端连接PEG链的固化基体Prime和Whitesides为基于呈现低聚(环氧乙烷)的自组装单层膜(SAMs)的蛋白表面抗性发展提供了一个突破口。 38,61通过由类似HS(CH3)11(OCH2CH2)n和HS(CH3)10CH3的硫醇类形成的混合SAMs制备具有高蛋白质抗性的表面。他们测量了4种不同的蛋白质的吸附程度，纤维蛋白原，丙酮酸激酶，溶菌酶和核糖核酸酶(RNA酶)，它们的结构和分子量都不同。虽然以
9、前的研究表明，只有表面接枝很长的PEG链时表面才能抵抗蛋白质吸附，75-78Prime等人报道，显著的蛋白质结合烷基硫酸醇的SAMs与少数两个环氧乙烷基团。Prime等人报道的观察并不矛盾，正如它看起来那样，早期共价嫁接PEG的研究。使用较长链的好处是，它们可以更有效地覆盖表面。在自组装单层膜情况下，这能够结合每单位表面积的链的数量比大多数其他嫁接技术多，因此能够获得更有效的表面覆盖并且具有较短的链长度。此外，Prime等人观察到，通过-OCH 3取代低聚(环氧乙烷)的末端-OH没有降低表面的抵抗蛋白质吸附的能力。Szleifer和同事69,70使用单链平均场(SCMF)理论来解释呈递较短低聚
10、(环氧乙烷)链的SAMs的蛋白质抗性，如Prime所报道。38,61他们考虑到了蛋白质和平均聚合物链的所有可能构象的聚合物改性的基材之间的相互作用的力。根据其结果，在确定所述PEG层的蛋白抗性的一个重要参数是靠近基片的区域聚合物分子的密度。69然而，蛋白质吸附的动力学依赖于聚合物层的厚度。因此，在嫁接技术的情况下，其中每单位表面积仅有限数量的聚合物链可以附着，有利的是，通过增加链的长度以增加聚合物层的厚度，从而产生一个动力学屏障，即防止表面的蛋白质吸附。Grunze和同事71-74报道，具有甲氧基末端的低聚糖(乙二醇) SAMs的蛋白抗性明显取决于表面上的聚合物链的构象。笔者报道低聚糖(环氧乙
11、烷)基团在SAMs形成在对蛋白质吸附具有惰性的金上时具有螺旋形构造。72在形成于银的SAM的情况下，然而，链具有反式构型，并且不能阻止蛋白质的吸附。72蒙特卡洛模拟表明，螺旋的SAMs交互多与水相比反式构型的SAMs要多，这表明它与水这种相互作用在确定蛋白质抗性的重要作用。 73,74尽管从表面覆盖和易于制造的观点出发SAMs是迄今为止最好的已知体系，但是它们很容易发生缺陷和缺乏稳健性。21,79PEG或通过直接共价连接基底的聚合物是稳健的，但它们减少蛋白质吸附的效果不如SAMs有效。21Chilkoti和同事报道了一个策略，将SAMs高表面密度和易于形成的优点与这些接枝聚合物的优点结合，这会
12、形成更厚并且更坚固的薄膜。79反应的示意图示于图3a。它们首先在金上形成作为引发剂-mercaptoundecyl溴异丁(化合物1)的SAMs。终端溴异丁基能够使表面引发原子转变成自由基聚合(SI-ATRP)。该聚合反应进行在不存在氧的情况下，通过将SAM浸入在低聚糖(乙二醇) 甲基丙烯酸甲酯(OEGMA)单体和甲醇的混合溶液中，其中OEGMA在水溶液中制备，甲醇存在于作为催化剂的CuBr/联吡啶中。79这些表面进行了测试，通过表面等离子共振(SPR)光谱所监测，当暴露于纤连蛋白和10胎牛血清(FBS)的混合溶液中时，这些表面成功地抵御蛋白质的非特异性吸附(参见图3b)。79图 3. a)图表
13、描述了OEGMA的自由基聚合(SI-ATRP)，来自于引发剂功能化烷硫醇(1)与稀释烷硫醇(2)的混合SAM，在金上。b)蛋白质吸附检测在表面等离子共振(SPR)片上进行，片上涂了聚合物(OEGMA)。涂片事先用磷酸盐缓冲盐(PBS)处理10min，随后注入10%的胎牛血清/100%的胎牛血清/纤连蛋白(区域II)直至20min时(区域IV)，其后用磷酸盐缓冲盐(PBS)再冲洗10min(区域 IV)。经授权转载。版权2004，Wiley-VCH。研究人员还开发出的仿生战略，以PEG连接到各种基材。80-89Messersith和同事使用3,4-二羟基苯丙氨酸(DOPA)，其是大量存在于贻贝粘
14、合剂蛋白(MAPS)，将PEG连接于二氧化钛(二氧化钛)的底物。DOPA是由邻苯二酚氨基酸翻译改性形成的受酪氨酸。缩氨酸包含了DOPA的三个残余基，被连接到了单甲氧基封端的PEG(M-PEG)聚合物m-PEG-DOPA吸附在TiO2的衬底。表面的DOPA和Ti-OH基团之间形成的电荷转移络合物锚定在聚合物和TiO2的表面。这些表面改性的m-PEG-DOPA，被发现可以抵抗蛋白质吸附，监控使用光谱椭偏和光波导光模光谱(OWLS)。使用DOPA，PEG基团每单位表面积的吸附数量超过先前报道相同的分子量的PEG。Gademann和同事使用一种称为anachelin的铁螯合剂来将m-PEG连接到二氧化
15、钛表面。 Anachelin对于金属氧化物表面的强结合亲和力，并用于由蓝藻生物膜的形成。笔者合成了一种化合物，包含了缀合anachelin片段的m-PEG (图4)，将所得的结合物连接到二氧化钛表面上。这样形成的表面显示出在暴露于人血清蛋白优异抗性。Spencer和同事83已经发表了其他的方法将PEG连接到类似二氧化钛，Si0.4Ti 0.6O2和Nb2O5的金属氧化物表面，通过使用一个种类共聚物，基于聚合物(L-赖氨酸)-接枝-聚乙二醇(PLL-移植-PEG)。PPL拥有带正电胺基团，其能结合到带负电荷的金属氧化物基底，而亲水性无电荷的PEG链保持自由并且暴露于水相和形成梳妆结构。所得表面有
16、效地减少了蛋白质吸附。因此，近年来用于制备抗污损表面的各种技术已经开发，通过使用不同的策略将PEG连接到各种基材。图 4. 图为蓝藻铁螯合剂anachelin(1)和m-PEG缀合衍生物(2)。经授权转载。82版权2006.美国化学会。2.1.2。其他抵抗蛋白质的表面尽管PEG是最常用的物质将蛋白质抗性赋予表面上，在氧环境下它具有自发氧化的趋势形成乙醛和乙醚，21这会导致表面失去抵抗蛋白质的能力。因此，为了设计出抵抗蛋白质吸附的替代分子是很重要的。Whitesides和同事39,90,91已经研究了赋予SAMs如例外蛋白质抵抗能力的性能，SAMs上呈现出低聚糖(乙二醇)基团，并且使用这些性能来
17、设计其他蛋白质抗性的表面。Deng等设计了呈现丙烯亚砜代替乙二醇低聚物的SAMs。在设计这些表面，乙二醇的三个主要性能得到了注意，即亲水性，以与水形成氢键的能力，和构象柔性。虽然丙烯亚砜的生物相容性是未知的，母体化合物，二甲亚砜，比乙二醇具有更多生物相容性。结果表明，纯净和混合的SAMs呈现出丙烯亚砜的低聚物，其完全地抵抗了核糖核酸酶A制和纤维蛋白原的吸附。这种化合物纯SAMs在蛋白质抵抗能力上是不能与呈现六甘醇的SAMs区分的。Chapman等制成了含有不同官能团化合物的SAMs，使用SPR测试了蛋白质抗性。化合物在屏幕上显示出肯定的结果，有四种很可能对于蛋白质抗性非常重要的常见参数：存在极
18、性官能团，没有任何净电荷，存在氢键受体基团，没有氢键供基团。Ostuni等人深入了Chapman等的工作91并且设计了几个化合物，其可以方便地使用商用药剂制备。使用酐方法(图5)在涂金玻璃表面形成这些化合物的SAMs，并且测试了他们的能力以避免蛋白质吸附，同样用SPR光谱监测。笔者们研究了衍生品的SAMs，包括乙二醇和乙醚、胺和氨盐、酰胺和氨基酸、冠醚、腈、碳水化合物，和其他几个组。39 通过官能团与多个氨基酸如甘氨酸，测试氢键对于基底惰性的影响。在胺基团中的一个氢原子被甲基取代，这减少了氢键供体的数量。这种替代改善了基底的惰性，与假设一致，氢键供体数量的减少提高了SAMs的蛋白质抗性。对于乙
19、二醇的衍生品，蛋白质抗性会随着官能团中乙二醇低聚物的数量的增加而提高。据观察，双糖更大程度地抵制了蛋白质的吸附，相比于单糖和氢氧基团(氢氧间供体)中甲基替换氢提高了基底蛋白质抗性。尽管Ostuni等人发现减少氢键供体提高了蛋白质抗性，这与Chapman等提出的假设一致，应该重视Mrksich和同事的研究，甘露醇SAMs抗蛋白质的吸附尽管它们包含大量氢键供体。这些结果39,91,92带来了四种替代的化合物以抵抗蛋白质的吸附并且证实了对于呈现的乙二醇低聚物或聚合物的表面非特异性蛋白质吸附抗性不是特定的。两性离子SAMs和聚合物：磷酰胆碱(PC)基两性离子表面对于蛋白质抗性的特性也得到广泛研究。93
20、-101此类活动背后最突出的假设是，PC两性离子结合水非常有强烈，产生了一个不允许蛋白质粘附在表面的水化层。95Tegoulia等写的关于PC SAMs最早的报告之一，笔者制备了单组分和双组份的纯PC单层及PC和甲基-或称羟基封端硫醇混合单层。有趣的是，所有这些SAMs显示，蛋白质粘附数量的减少的重要性和相对性，是由于PC部分的存在。在包含PC聚合物的表面和毛刷情况下，观察到类似程度的蛋白质抗性。98-101此外，发现低聚糖(乙二醇)和两性离子PC的抵抗蛋白质特性是协同的；杂化烷氢硫醇比相应的低聚糖(乙二醇)烷烃硫醇对蛋白质吸附具有更大的影响。97图 5. 图显示了合成的SAMs，包括1:1混
21、合的-CPNRR和-COOH/COO-，使用了酐方法。NMP是指无水N-甲基-2-吡咯烷酮，Et3N是指三乙胺，DMF是指二甲基甲酰胺，以及rt是指室温。Chapman等91和Ostuni等39使用这种方法来发现除了PEG之外能够产生蛋白质抗性SAMs的分子。经授权转载。39版权2001，美国化学协会。Holmlin102等制备了硫醇的混合SAMs，硫酸携带了相反的终端电荷。SAMs由1:1混合的相反电荷的硫醇制得，明显阻止了两种代表性的蛋白质的非特性吸附，溶酶菌和纤维蛋白原。另一方面，单一组分的SAMs呈现出净电荷(正或负)，几乎仅完整地吸附了单层蛋白质。此外，一些单一组分SAMs拥有两性基
22、团，同样只阻碍了蛋白质的吸附。尽管结果并不是广泛适用于所有经过测试的两性SAMs，其中一些与抵抗蛋白质吸附的最好的已知体系相媲美。102稳液基的抗蛋白质表面：Kane等22提出了一个假说，涉及一个给定的分子使表面具有蛋白质抗性的能力，以将表面的蛋白质排除在外，在包含分子、水、和蛋白质的三元系统。A化合物被认为是最完美地排除了表面的蛋白质，如果化合物在蛋白质局部的浓度小于净体浓度(图6)如渗透质的情况，这是通过细胞减轻渗透压产生的。104该笔者研究了文献资料的数据并且发现大部分已知具有蛋白质抗性的表面是基于稳定剂的表现。22基于渗透质，甜菜碱和牛磺酸的SAMs形成并且观察到了蛋白质抗性，与假设一
23、致。蛋白质抗性、稳液剂以及分子如渗透功能的能力之间的联系可以帮助了解全部的三个特性。22图 6. 图示a)一种溶质可以完全将蛋白质排除到表面之外(局部区域)以及b)一种蛋白质不会吸附到表面。经授权转载。22版权2003，美国化学会。三甲基胺N-氧化物(TMAO)是一种稳液剂，通过赋予蛋白质折叠状态的稳定性，具有抵消蛋白质变性剂尿素的能力。TMAO存在时展开状态是不稳定的，由于憎渗透性蛋白质骨架暴露在展开状态，正与折叠状态相反。105Dilly等106报道，当嫁接到聚合物的支撑时，分子具有蛋白质抗性。这个结果是与Kane等的假设一致，稳液剂与基底的蛋白质抗性具有很强的相关性。22尽管通过该TMA
24、O赋予蛋白质抗性的机理还不是很清楚并且需要进一步研究，笔者指出这一部分与水形成强氢键，导致了靠近基底的水分子的排序，这能使蛋白质优先被排斥，因此赋予基底蛋白质抗性。肽基以及类肽基的蛋白质抗性表面： Chelmowski等107报道肽基SAMs将蛋白质抗性赋予金涂层表面的能力。尽管在表面蛋白质抗性中肽的使用似乎某种程度上与直觉相悖，笔者合理地利用氨基酸设计肽，氨基酸具有亲水性，具有不带电荷的侧链，提供了氢键受体基团，并且形成了-螺旋结构。107一些这样的设计规则与其他研究39,91,108中蛋白质抗性表面的设计是一致的。金表面，当按照这些规则用肽SAMs功能化处理后，与低聚糖(乙二醇)的SAMs
25、相比对一些蛋白质明显表现出抵抗性，包括括链霉，牛血清白蛋白，和纤连蛋白的吸附。Statz等41设计了由甲基侧链取代N-的甘氨酸类肽，以下的指导由Whitesides和同事提供。39,91类肽是肽的非天然模拟物，具有类似蛋白质的骨架，侧链是氮原子而不是-碳。在某些研究中设计的类肽被连接到TiO2，使用含有交替的DOPA和赖氨酸残基的5-单体单元的肽(图7)。MAPs具有最高含量的DOPA和靠近赖氨酸残基75%的DOPA残基。同样的设计被保留到锚定5-单体单元的肽。类肽改性表面吸附的蛋白质数量明显低于对照组。事实上，这些表面的蛋白质抗性可以媲美呈现低聚糖(乙二醇)基团的SAMs。图 7结构为甘氨酸
26、类肽嵌合到一个5-单体单元锚定的肽上，包括替换的DOPA和赖氨酸残基由Statz等41设计。抗污损的类肽被连接到TiO2基底上，使用了锚定的肽。经授权转载。41版本2005，美国化学会。甘油和碳税化合物的衍生物：Hagg和同事的理由是，树枝状聚甘油(PGs)表现出类似几个高蛋白质抗性表面的结构特性。109浙西二结构包括存在高度灵活性和脂族聚醚或者亲水性基团以及一个高度支化的结构。基于这些观察，Hagg和同事109制备了涂覆不同分子量的硫醇功能化的树枝状PG衍生物的金表面。SPR光谱学研究表明，与PEG的SAMs相比，这些表面显示出对蛋白质吸附的抗性。此外，散状的PG显示出更高的热稳定性和氧化稳
27、定性，基于热重分析。确定是否同样适用于存在PG衍生物的表面将会是有趣的。在他们最近的工作，Wyszogrodzka和Hagg101报告了在金上面SAMs的制备，呈现出甲基化或者终端氢氧化的PGs。具体来说，混合SAM是通过胺功能化的PG结构与一个呈现出链间的酸酐反应制备的。110,111对于线性的PG，蛋白质吸附的抵抗性随着的甘油重复单元的数量增长而提高。然而，在树枝状结构中没有看到同样的效果，因为PG单元数量的增加导致了空间位阻的增加和SAMs反应效率的减少。末端氢基基团的甲基化导致了相对于情急终端的PGs的蛋白质抗性显著改善。110笔者将影响归结于耦合产量的增长，正如氢氧键供体(氢基)基团
28、的消除的结果，否者其与酐基团反应并且用胺耦合和以语气竞争，特别是对于对位阻胺。 110另外，他们建议通过氨基化消除氢氧键供体增加了个体分子在表面的流动性和灵活性。 110以下是Whitesides和同事概括的相同的一系列规则，39,91Guan和同事112设计了碳水化合物衍生的侧链聚醚，他的结构类似于存在于PEG的聚醚结构；然而，它是侧链聚醚而不是珠帘聚醚。笔者同样使用了硫醇封端的聚醚制备了SAMs。聚醚SAMs的蛋白质抗性通过SPR分析被证实可以抵抗纤维蛋白原和溶菌酶。此外，Guan和同事使用活性开环聚合从前甲氧基-己内酯合成可降解的蛋白质抗性聚合物(P(OMe)CL)。113具有-己内酯的
29、前甲氧基内酯的嵌段共聚物(P(OMe)CL- b-PCL)也可以合成并且有蛋白质抵抗性的特点。有趣的是，同样形成(P(OMe)CL和(P(OMe)CL- b-PCL)显示出纤维蛋白原和溶酶菌的抗性，使用SPR光谱对其评测。下面，Guan和同事合成了侧链醚聚酯和聚酰胺，从简单的碳水化合物衍生单体的缩聚物。114尽管前甲氧基聚酯显示蛋白质吸附的抗性，聚酰胺没有。另一种碳水化合物衍生化的抗蛋白质制剂包括使用PLL-嫁接-葡聚糖。115基于之前的工作，涉及使用PLL-嫁接-葡聚糖聚合物刷，在氧化物表面它阻止了非特异性的蛋白质吸附，83,116 Perrino等人合理地解释了使用类似PEG的葡聚糖是中性
30、的并且因此没有雨聚合阳离子骨架发生相互反应。115如期待那样，硅和TiO2的共聚物波导使其避免受到蛋白质的吸附。2.2. 蛋白质降解膜2.2.1. 蛋白酶基抗污损膜图 8蛋白酶基的抗污损薄膜：a)将酶掺入PDMS聚合物中，通过溶胶-凝胶包封(方法1)或使用共价连接(方法2)。b)蛋白水解酶的活性和在含有链霉蛋白酶和-糜蛋白酶(-CT)PDMS薄膜的BSA的吸附。C1：PDMS对照组；C2：PDMS对照组含有溶胶-凝胶颗粒不含酶；PR1：通过法1制备的薄膜(链霉蛋白酶=0.7 wt%)；PR2：通过法2制备的薄膜(链霉蛋白酶=0.9 wt%)；PR3：法2制备的薄膜(链霉蛋白酶= 1.1 wt
31、，溶液在四氢呋喃(THF)中铸成)；CT1：法2制备的薄膜(聚乙烯吡咯烷酮处理-CT=0.3 wt，溶液在THF中铸成)。经授权转载。42版权2001，约翰威利父子公司将蛋白酶掺入涂层采取的方法之一，将蛋白质降解性能赋予表面。在最早的报道之一，使用了蛋白酶制备抗蛋白质污损涂层，Kim等42将水解酶固定到一个聚合物(二甲基硅氧烷)(PDMS)基底，水解酶即链霉蛋白酶和-糜蛋白酶(-CT)，由任一溶胶-凝胶包封或使用共价连接的方法(图8a)。Kim等表明，这些酶-PDMS制剂能够直接铸成薄的生物催化膜或者掺入油基涂料土涂料。42尽管所有的含酶制剂显示生物催化活性，对-CT薄膜的活性用溶胶-凝胶包封
32、比当通过共价附着制备高。共价附着活性的降低归结于-CT部分的变性，因为聚合时共价键在酶和PDMS之间形成。另一方面，链霉蛋白酶的情况下，可以观察到共价连接比溶胶-凝胶包封的化学更高。含-CT薄膜的解蛋白活性可以在所述冷冻干燥情况通过使用冻干保护剂，聚合物(乙烯基吡咯烷酮)(PVP)改善。通过共价附着制备的链霉蛋白酶-和含-CT的PDMS薄膜显著抑制了蛋白质的吸附(图8b)。在含有蛋白酶的薄膜的蛋白质吸附降低归因于构象熵的增加，由于蛋白质分子的降解，因此对于吸附肽片段来说减少了吸附的吉布斯自由能。42在Dordick和同事的另一项研究中，含-CT的硅酸盐可以通过刚刚讨论的两个方法制备。117与之
33、前的结果一致，42共价连接制得的硅酸盐比溶胶-凝胶包封-CT制得的更稳定。117增强的稳定性归因于少量的浸析和附着酶自我溶解的保护。有趣的是，-CT硅酸盐能偶显著地减少蛋白质结合的程度。具体来说，在含有10%w/w的-CT相比不含-CT或者包含非活性-CT的硅酸盐来说，人类血清白蛋白吸附大约降低了80%。近日，Asuri用碳纳米管作为酶固定化的支持。笔者利用事实，即纳米级载体提供较大的功能性酶加载和比它们的宏观和微观的同行更好的稳定性。16此外，由于它们的圆柱形结构，纳米管可被截留在聚合物基质中，从而降低了从基质固定化的酶的浸析。考虑到这些性能优势，Asuri等制备了聚合物的复合材料，含碳纳米
34、管与枯草杆菌蛋白酶嘉士伯(SC)的偶联物。含有碳纳米管-SC偶联物的聚合物(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)薄膜分别减少了85和70的HSA和纤维蛋白原吸附，与PMMA膜对照组相比。纳米管与另一种蛋白酶，胰蛋白酶(TRY)的偶联物结合成薄膜后，对HSA的吸附防污性能得到了改善，以提供更广泛的蛋白水解活性。16在这种情况下，相比于对照组薄膜，人血清白蛋白的结合要低95。拓宽含酶膜可降解生物聚合物的范畴，多糖降解酶，如葡聚糖酶(能降解葡聚糖)与纳米管的结合物被纳入的PMMA基体。16由于一些细菌和水生生物利用蛋白质和多糖建立与合成底物的联系，如生物催化纳米复合材料16可能有助于抑制生物膜的形成，从而防
35、止生物污染。2.2.2。光敏自清洁薄膜自洁涂料已成为近年来的一大重点。4,9-11,118-127这些涂层可被表征为两个主要类型：超疏水性薄膜或光活性膜。24,120,140天然使用的超疏水基底形成自洁表面，被称为“荷叶效应”的作用。24,141-145水滴滚下这些表面，并在滚动运动拾取灰尘，细菌或其他细碎片，留下清洁的表面。 24超疏水性表面可通过采用低低表面能材料和高的表面粗糙度来制备。基于硅石纳米颗粒的超疏水性薄膜有几种类型，128-133碳纳米管，119134聚合物，138,139等等。超疏水性薄膜防止污染物粘附到它们的表面上，但不降解的污染物。光活性自洁片，另一方面，在紫外线(UV)
36、或可见辐射的存在下分解污物，由于活性氧(ROS)的产生。 ROS产生的机制已经得到充分的研究，并示于图9。当UV或可见光入射到光敏剂，在基态的电子可以被激发到激发单线态。这些电子可通过发射光返回到基态松弛，或可以经历系间窜越到其激发三重态，从而可通过两个反应途径，I型和II型通路，导致ROS的产生。在I型通路，超氧离子或羟基自由基产生活性氧，而在II型通路，能量转移到氧，这会提升到激发单线态。这些所制备的高反应性的物种(超氧离子，羟基自由基和单线态氧)能降解的各种类型的污染物。最常见的已知光活性材料是TiO2。TiO2可以分解很大范围的污染物，如硬脂酸和气态甲醛，并能在UV以及可见光下保持本身
37、清洁。由于其自清洁作用，TiO2已经被涂覆到不同类型的表面，包括玻璃，121,122,147,148纺织品，9,11和导管，4并已被广泛用于环境清理。123最近，Joshi等125报道，基于碳纳米管的透明光敏自清洁膜的制造。纳米管薄膜抑制了牛血清白蛋白(BSA)在可见光和近红外(NIR)照射的存在下的污损。因此，这些纳米管薄膜提供替代透明的，自清洁系统。3. 抗微生物涂层3.1防止细菌粘附的涂层3.1.1 PEG及其他涂层细菌附着到表面是通过几种机制，包括疏水性和静电相互作用。23,30,40,149,150微生物附着到生物植入物是危险的，并可能导致生物膜的形成以及感染。30相互作用的类型随一
38、种细菌到另一个而变化，甚至一个特定类型的细菌由于基因突变而变化，从而增加了这个问题的复杂性。研究人员已经发现，控制疏水性，表面粗糙，静电相互作用，以及表面顺从度可以大大减少细菌附着。49,151-156它也推测，细菌可以通过一层吸附蛋白质附着在基板上，因而抵制蛋白质吸附的表面还应抵抗细菌的吸附。40这种表面是至关重要的，因为它们有助于解决生物膜形成和微生物污染的严重问题。自PEG被已知可将蛋白质抗性授予基底，许多研究人员已经尝试使用PEG制造抵抗细菌粘附的基板。23,27,30,40,149,150,157-159PEG链是柔性的，并表现出较大的空间排斥力，这可能会妨碍菌靠近表面。Park等2
39、3报道，PEG修饰的聚氨基甲酸乙酯基底的制备方法。携带末端羟基，氨基和磺酸酯基的PEG分子测试为抵抗大肠杆菌(大肠杆菌)和表皮葡萄球菌(表皮葡萄球菌)。他们测试了细菌在不同介质中的附着，如胰蛋白酶大豆肉汤(TSB)和含人类血浆介质。该细菌的附着被认为是依赖于媒介，功能化，和PEG的分子量。在一般情况下，较高分子量的PEG比低分子量的显示出更大的抗细菌附着。表面与终端磺酸基是最有效地减少细菌的附着。Norde和同事30报道了聚乙二醇刷的链长对不同类型的细菌和酵母的附着的影响。结合聚合物刷的蛋白质的相互作用已得到广泛的研究，但细菌和酵母是在尺寸上更大并且呈现更复杂的系统。两种细菌，表皮葡萄球菌和绿
40、脓杆菌(绿脓杆菌)，以及两种不同类型的酵母，热带假丝酵母(热带念珠菌)和白色念珠菌)白色念珠菌)，被使用。人们认为是较高分子量的PEG和较长刷能更有力地抵抗细菌粘附。也有人认为，相对疏水的微生物(绿脓杆菌和热带念珠菌)比亲水的微生物(葡萄球菌白色念珠菌)附着更有力，这表明，疏水相互作用有利于微生物的表面附着。即附着于PEG刷的微生物可以通过气泡轻易地去除，比附着到裸基板的微生物的更容易，这表明附着力在PEG修饰的表面较弱。作为前一节中所讨论的，Ostuni等39设计的呈现出一些官能团的SAMs，在抵抗非特异性蛋白质吸附的能力上，可以与呈现出低聚糖(乙二醇)的SAMs相媲美。笔者进一步研究了SA
41、Ms的蛋白质抗性和它们抵抗细菌粘附能力之间的关系。40它们制成了呈递出不同群体的烷基硫醇SAMs，并且比较了蛋白与细菌的附着。研究得出，对于给定的表面，细菌抗性的程度与蛋白质抗性没有线性相关。因此，很明显，设计一个抵抗蛋白质吸附的表面所需的参数不足以使一个表面具有细菌抗性。尽管将PEG附着到一个表面是最制造具有蛋白质抗性的表面最广泛研究的方法之一，它并不能有效地减少细菌定植。此无效性可能是由于在通过细菌附着于一个表面上的机制具有复杂性，其中有许多是仍然没有得到很好的理解。40此外，PEG在复合介质发生氧化并且不适合长期使用。22,160减少细菌粘附的其它材料是基于表面活性剂如羟基磷灰石和脱乙酰
42、壳多糖或生物分子如白蛋白和肝素。161 Friedman和同事162将二氧化钛表面涂上BSA它与使用碳二亚胺化学相交联。人们发现，在37下20天的试管测试时涂层有效地抵抗了细菌粘附并且没有显示出明显的白蛋白降解。在该涂层时没有显示出白蛋白显著降解。An等报道的一个白蛋白涂层在兔子里的体内测试。 163笔者发现，涂覆白蛋白的植入物具有27的较低的感染率当与对照相比，对照组的感染率为62。因此，白蛋白涂层被证明是在体外和在体内都有效。Licher等49使用了聚合物(烯丙基胺盐酸盐)(PAH)和聚(丙烯酸) (PAA)的聚电解质多层并且研究了细菌附着的多层膜的机械刚度的函数。多层膜的硬度通过改变它的
43、多层组装的pH值可以很容易地调整。笔者观察到细菌附着在衬底上的程度取决于基板的机械刚度；增加基底的刚度导致附着的细菌数量的增加。3.1.2. 智能或刺激响应材料智能或刺激响应材料显示，以在环境条件的微小变化在其物理化学性质的快速和可逆的变化的响应(例如，pH，温度，盐浓度，电势，光，和周围的介质)。164-166这些材料中的应用在不同范围中发挥重要作用，其中包括药物递送，生物传感器，组织工程，涂料和纺织品。164-171在防污涂料的情况下，热电偶-和pH-响应性聚合物已被用于赋予生物污损释放特性来涂覆在表面上。43,172-175因此，通过改变涂覆有这样的聚合物的底层材料的温度，附着在材料表面
44、的生物污物可以被释放，使表面清洁。聚合物(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAAM)是研究最多以及使用广泛的对环境敏感的(智能)聚合物之一，用于控制表面的湿润性。43,172-177PNIPAAM是一种温敏聚合物，在32水中表现出低临界溶解温度(LCST)。在温度低于LCST，PNIPAAM是易溶于水，并且是亲水性的具有延伸的卷曲构象。另一方面，在温度高于LCST，PNIPAAM经历相转变成为不溶于水的和折叠的疏水结构。168,173在基于使用PNIPAAM作为生物附着脱模剂的初期报告，Lopez和同事开发了PNIPAAM的刺激响应润湿性以制备脱污表面。43172ISTA和Lopez展示了使用浸涂
45、方法制备PNIPAAM涂覆玻璃表面脱污的潜力。172 涂有PNIPAAM的玻璃表面及对照组与盐单细胞菌(H. marina)海洋生物细胞一起在37下培育，当最初2小时以及18小时的温育时，将样品用4人工海水冲洗以获得释放污垢的属性。笔者观察到在保持附着的盐单细胞菌海洋生物细胞在涂覆PNIPAAM的表面降低了95以上，相对于玻璃表面的对照组的40%的减少要多。 172此外，Lopez和同事采用自由基聚合制备PNIPAAM拴聚苯乙烯(PS)表面，以研究共价功能化的PNIPAAM的脱污性质。43其中S.葡萄球菌和盐单细胞菌海洋生物细胞附着到连接PNIPAAM的表面有利的温度是分别为25和37。另一方
46、面，S.葡萄球菌和盐单细胞菌海洋生物细胞的脱污性质的最佳温度分别是37和4。S.葡萄球菌的脱离研究是在37，而不是4下进行，因为S.葡萄球菌细胞被发现以优先附着于亲水PNIPAAM表面而不是疏水性表面。43在附着和脱离研究时，这些物种特异性保持的温度条件，取决于所研究的微生物。43笔者表明，附连到PNIPAAM接枝的表面大于90的培养的微生物(S.葡萄球菌，盐单细胞菌)在2，18，36及72小时的孵育期当聚合物的水合状态是从有利于细菌附着的润湿改变到另一个不太有利的条件时开始移除。43除了准备浸涂和共价功能，Lopez和同事通过改性引发剂SAMs的NIPAAM用原位聚合法制备在金表面制备薄膜(
47、图10)。173附着和脱附的研究表明，细胞从PNIPAAM功能化的 SAM表面(约90)释放的百分率是远比对于对照(羧酸和甲基封端的自组装膜)的大，并且可以媲美PNIPAAM-拴系PS表面所获得的结果。173Alexander和同事的其他研究中，PNIPAAM和NIPAAM和N-叔丁基丙烯酰胺(NtBuAAM)的共聚物(PNIPAAM-co-NtBuAAM)胺功能化的玻璃表面。176,177在温度高于LCST时，附连PNIPAAM-co-NtBuAAM官能团的表面的细菌的数量(伤寒沙门氏菌和蜡样芽胞杆菌)比对照组(PNIPAAM-和胺功能化的表面)要多得多。然而，将温度减小到低于LCST时，与
48、对照相比更大数目的细胞从PNIPAAM-co-NtBuAAM功能化的表面移除。176,177图10. 图表述了在引发剂衍生的SAMs上用NIPAAM的原位聚合法制备的过程。ABAH作为自由基引发剂；NIPAAM= N-异丙基丙烯酰胺。经授权转载。173版权2001，美国化学会。3.2.1.释放基的方法银-释放涂料：银已被广泛地用于其活性杀菌。178银及其化合物在许多应用中具有广泛的用途，包括伤口敷料，179治疗烧伤的，180，181医疗设备和导管，182,183和纺织品。184银纳米颗粒也已显示出是有力的杀菌性。185,186抗菌银离子或纳米颗粒已生长或嵌入聚酰胺，187多层聚电解质，53,188-190玻璃纤维，191和其它聚合物，192,193以及在水凝胶，194以形成抗微生物膜。实际上，由于大量使用银，耐银细菌菌株不断