一种基于线状磷酸胆碱聚合物修饰的二氧化硅表面的制备方法及其应用与流程

本发明涉及二氧化硅抗污染表面的制备领域，特别是涉及一种基于线状磷酸胆碱聚合物修饰的二氧化硅表面的制备方法及其应用。

背景技术：

磷酸胆碱是一种两性离子材料，具有良好的亲水性，其作为细胞膜表面的亲水性末端，能为细胞膜提供良好的生物相容性，有效阻止蛋白及细胞间的吸附。因此，磷酸胆碱类材料常被作为聚合单体，用于合成相关聚合物。该类聚合物通常具有一定的抗污染性能。常见的磷酸胆碱类聚合物属于线状聚合物，即将磷酸胆碱单体分子作为侧链接在聚合物主链上，单体分子含量较低，因此其抗污染效果并不理想。此外，该类聚合物通过自由基聚集或者巯基末端固定在基底表面，而这些固定方法对基底具有较高的要求，且耗时较长。

二氧化硅是一类被广泛应用的材料，可用于制备棱镜，电极，光纤等精密器件，应用于各个领域。在医疗领域方面，这些精密器件作为探测监控仪器的主要部件，会被应用于人体内，反馈疾病信息。然而，在体内复杂环境下，这些器件可能会由于蛋白、血液的吸附导致其检测灵敏度降低，对疾病的监控造成不便。例如，胃镜检查时，如果镜头被胃液、食物或者血液等物质黏附在镜头表面，导致不能有效辨别检测，则需要将胃镜取出冲洗，然后再重新观察，不仅效率低下，而且对患者造成不必要的痛苦。因此，对于二氧化硅表面的抗污染处理的研究极其重要。

技术实现要素：

本发明一个目的在于提供一种基于线状磷酸胆碱聚合物修饰的二氧化硅表面的制备方法，该方法对基底的要求较低，修饰方法简单，且耗时少，该方法制备的二氧化硅表面具有极低的非特异性蛋白吸附量和较高的稳定性相比传统的磷酸胆碱聚合物具有更好的抗污染能力。

本发明的另一个目的在于提供一种上述方法制备的二氧化硅表面在抗污染方面的应用。

本发明是通过以下技术方案加以实现的：

一种基于线状磷酸胆碱聚合物修饰的二氧化硅表面的制备方法，包括以下步骤：

1)合成线状磷酸胆碱聚合物，方法如下：

a)合成分子1：将二溴代异丁酸酯作为引发剂，加入氯化铜、4,4'-二壬基-2,2'-联吡啶、2-(三甲基硅氧基)乙基甲基丙烯酸盐、苯甲醚以及甲基丙烯酸甲酯，混合，脱气后在氮气条件下加入氯化亚铜，反应后生成分子1；

b)合成大分子引发剂：将所述分子1与氟化钾、2,6-二叔丁基苯酚以及2-溴代异丁酰溴加入到四氢呋喃中，反应后生成大分子引发剂；

c)将所述大分子引发剂与2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱、2,2'-联吡啶、氯化铜溶于乙腈甲醇溶液，脱气后在氮气条件下加入氯化亚铜，反应，得到线状磷酸胆碱聚合物；

2)制备基于磷酸胆碱聚合物修饰的二氧化硅表面：用去离子水配制浓度为0.1～0.5mg/ml的线状磷酸胆碱聚合物溶液，将此溶液施加并完全覆盖于清洗干净的二氧化硅表面，形成有效的线状磷酸胆碱聚合物刷结构，得到所述基于线状磷酸胆碱聚合物修饰的二氧化硅表面。

优选的是，步骤2)中，将所述环状磷酸胆碱聚合物的溶液施加到二氧化硅表面的方法为：将所述溶液的液滴滴在所述二氧化硅表面，常温下浸泡0.5～2h后取出，用乙醇和去离子水洗净芯片表面，并用氮气吹干。

步骤2)中，将所述环状磷酸胆碱聚合物的溶液施加到二氧化硅表面的方法还可以为：将所述溶液注入流通管路，常温下溶液流过20～30min。其中，所述溶液的流速为10～30μl/min。

其中，所述清洗干净的二氧化硅表面通过在紫外臭氧条件下对二氧化硅表面处理0.5～1h，然后用乙醇和去离子水依次冲洗3～5次，再用氮气吹干而得到。

步骤1)中合成线状磷酸胆碱聚合物的方法如下：

第一步：取25ml反应瓶，分别加入0.057mmol氯化铜、0.718mmol4,4'-二壬基-2,2'-联吡啶、115mmol2-(三甲基硅氧基)乙基甲基丙烯酸盐、4.1ml苯甲醚以及115mmol甲基丙烯酸甲酯，以0.0718mmol二溴代异丁酸酯作为引发剂，经过脱气排氧，在氮气保护条件下加入0.287mmol氯化亚铜反应，制备合成物1；

第二步：将2.42mmol合成物1与2.90mmol氟化钾以及0.242mmol2,6-二叔丁基苯酚以及2.9mmol2-溴代异丁酰溴加入到20ml四氢呋喃，常温搅拌反应制备大分子引发剂；

最后，将2.8μmol大分子引发剂与8.5mmol2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱，0.096μmol2,2'-联吡啶以及0.056mmol氯化铜溶于乙腈甲醇溶液，脱气后加入0.042μmol氯化亚铜，氮气条件下反应，制得线状磷酸胆碱聚合物。

一种制备方法制备的二氧化硅表面。

一种上述方法制备的二氧化硅表面在对蛋白、细菌抗污染方面的应用。其中，所述蛋白为牛血清蛋白、溶菌酶或β乳球蛋白，所述蛋白还可以是果汁、牛奶或胃液。

本发明具有以下有益效果：

1、高效性：在滴浸以及在线修饰两种方法条件下，仅需要0.5h即可完成二氧化硅表面的修饰，相比传统的抗污染材料表面，该聚合物表面制备方法更为简捷、高效；

2、该方法制备的二氧化硅表面具有极好的抗污染能力：在溶菌酶、牛血清蛋白、β-乳球蛋白中非特性吸附量分别为0ng/cm²、0ng/cm²、0.45ng/cm²，远低于各蛋白在纯二氧化硅表面的非特异性吸附量；

3、该方法制备的二氧化硅表面具有较好的稳定性：在1mg/ml氯化钠溶液条件下，聚合物没有被从二氧化硅表面洗脱；在ph值为2的溶液条件下，聚合物被洗脱的质量为4.1ng/cm²，在ph为8.5的溶液条件下，聚合物被洗脱的质量为0.9ng/cm²，因此，该聚合物修饰的二氧化硅表面具有良好的稳定性。

附图说明

图1为传统的线状聚合物与本发明中磷酸胆碱聚合物的对比结构示意；

图2为基于线状聚合物修饰的二氧化硅表面制备方法示意图；

图3基于线状聚合物修饰的二氧化硅表面对2mg/ml的溶菌酶(lysozyme)、牛血清蛋白(bsa)、β-乳球蛋白溶液的非特异性吸附量。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明：

实施例1

1)二氧化硅表面处理：

将购置的表面等离子体共振传感器(spr)的二氧化硅芯片置于紫外臭氧清洗仪中，紫外灯光照30min后取出，用乙醇、水依次清洗三次，氮气吹干备用。

2)线状磷酸胆碱聚合物的合成：

第一步：取25ml反应瓶，分别加入0.057mmol氯化铜、0.718mmol4,4'-二壬基-2,2'-联吡啶、115mmol2-(三甲基硅氧基)乙基甲基丙烯酸盐、4.1ml苯甲醚以及115mmol甲基丙烯酸甲酯，以0.0718mmol二溴代异丁酸酯作为引发剂，经过脱气排氧，在氮气保护条件下加入0.287mmol氯化亚铜反应，制备合成物1；

第二步：将2.42mmol合成物1与2.90mmol氟化钾以及0.242mmol2,6-二叔丁基苯酚以及2.9mmol2-溴代异丁酰溴加入到20ml四氢呋喃，常温搅拌反应制备大分子引发剂；

最后，将2.8μmol大分子引发剂与8.5mmol2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱，0.096μmol2,2'-联吡啶以及0.056mmol氯化铜溶于乙腈甲醇溶液，脱气后加入0.042μmol氯化亚铜，氮气条件下反应，制得线状磷酸胆碱聚合物。

参见图1，所制备的线状磷酸胆碱聚合物的特点在于聚合物的侧链部分由磷酸胆碱低聚物组成。

3)二氧化硅表面线状磷酸胆碱聚合物修饰：

参见图2。

方法1：将1mg步骤2)获得的聚合物溶于10ml的去离子水中，至最终浓度为0.1mg/ml。然后取500μl上述溶液滴在步骤1)获得的二氧化硅芯片表面，确保溶液完全覆盖芯片表面，常温条件下吸附0.5h。反应后的二氧化硅表面用无水乙醇、水依次清洗三次，氮气吹干，获得基于线状磷酸胆碱聚合物修饰的二氧化硅芯片。

方法2：用十二水合磷酸氢二钠和磷酸二氢钾配制ph＝7.4的10mm磷酸盐缓冲液。将1)中得到的二氧化硅芯片装备到spr仪器中，以上述磷酸盐缓冲液作为流动相，取步骤2)中的聚合物溶液以10μl/min流速进样30min，温度为25℃，制得基于线状磷酸胆碱聚合物修饰的二氧化硅芯片。

上述两种修饰方式获得的二氧化硅表面的效果基本相同。

4)基于线形磷酸胆碱聚合物修饰的spr二氧化硅芯片表面蛋白吸附量检测

将步骤2)中方法2获得的线形磷酸胆碱聚合物修饰的spr二氧化硅芯片装备到spr系统的棱镜上。以ph为7.4的磷酸缓冲液为流动相，流速为50μl/min。待基线平稳后，往定量环中注入100μl2mg/ml的牛血清白蛋白或溶菌酶或β乳球蛋白，经流动相推动蛋白溶液到达芯片表面，由spr系统测定共振角实时变化曲线，10min后读取spr共振角变化值，并计算非特异性吸附量。如附图3所示，在牛血清白蛋白或溶菌酶或β-乳球蛋白中非特异性吸附量分别为0ng/cm²、0ng/cm²、0.45ng/cm²，远低于各蛋白在spr裸二氧化硅芯片表面的非特异性吸附量，见表1。

表1蛋白在spr裸二氧化硅芯片表面的非特异性吸附量

实施例2

1)二氧化硅芯片处理：

将购置的适应晶体微天平(qcm-d)的二氧化硅芯片置于紫外臭氧清洗仪中，紫外灯光照30min后取出，用乙醇、水依次清洗三次，氮气吹干备用。

2)线状磷酸胆碱聚合物的合成：同实施例1。

3)二氧化硅表面线状磷酸胆碱聚合物修饰：

方法1：将1mg2)获得的聚合物溶于10ml的去离子水中，至最终浓度为0.1mg/ml。然后取500μl上述溶液滴在1)获得的二氧化硅芯片表面，确保溶液完全覆盖芯片表面，常温条件下吸附0.5h。反应后的二氧化硅表面用无水乙醇、水依次清洗三次，氮气吹干，获得基于线状磷酸胆碱聚合物修饰的二氧化硅芯片。

方法2：用十二水合磷酸氢二钠和磷酸二氢钾配制ph＝7.4的10mm磷酸盐缓冲液。将1)中得到的二氧化硅芯片装备到qcm-d仪器中，以上述磷酸盐缓冲液作为流动相，取方法1中的聚合物溶液以20μl/min流速进样30min，温度为25℃，制得基于线状磷酸胆碱聚合物修饰的二氧化硅芯片。

上述两种修饰方式获得的二氧化硅表面的效果基本相同。

4)基于线形磷酸胆碱聚合物修饰的qcm-d二氧化硅芯片表面蛋白吸附量检测：

将步骤2)中方法1获得的线形磷酸胆碱聚合物修饰的qcm-d二氧化硅芯片装备到qcm-d系统上。以ph为7.4的磷酸缓冲液为流动相，流速为50μl/min。待基线平稳后，通入2mg/ml的牛血清白蛋白或溶菌酶或β乳球蛋白，经流动相推动蛋白溶液到达芯片表面，由qcm-d系统测定其表面质量变化曲线，30min后读取qcm-d频率变化值，并计算非特异性吸附量。结果发现，在溶菌酶或牛血清白蛋白或β-乳球蛋白中非特异性吸附量几乎为0ng/cm²，远低于各蛋白在qcm-d裸二氧化硅芯片表面的非特异性吸附量。

实施例3

1)棱镜处理

将购置的棱镜置于紫外臭氧清洗仪中，紫外灯光照30min后取出，用乙醇、水依次清洗三次，氮气吹干备用。

2)线状磷酸胆碱聚合物的合成：同实施例1。

3)棱镜表面线状磷酸胆碱聚合物修饰：

将1mg2)获得的聚合物溶于10ml的去离子水中，至最终浓度为0.1mg/ml。然后取500μl上述溶液滴在1)获得的洁净的棱镜表面，确保溶液完全覆盖棱镜表面，常温条件下吸附0.5h。反应后的棱镜表面用无水乙醇、水依次清洗三次，氮气吹干，获得基于线状磷酸胆碱聚合物修饰的棱镜。

4)基于线形磷酸胆碱聚合物修饰的棱镜表面细菌吸附量检测：

将步骤2)获得的线形磷酸胆碱聚合物修饰的棱镜浸入到荧光细菌溶液中，吸附24h。取出后，用去离子水冲洗，然后使用荧光显微镜观察。结果发现，修饰有该聚合物的棱镜具有明显的抗菌吸附效果，其吸附量远低于细菌在单纯棱镜表面的吸附量。

虽然上述3个实施例中线状磷酸胆碱聚合物的合成过程和条件均相同，但是可以理解，可根据需要调整各反应物的比例，以制备不同聚合度的聚合物，聚合物聚合度的差异会影响其抗污染的效果。磷酸胆碱部位的聚合度高的聚合物，其抗污染效果较好。

二氧化硅表面抗污染能力可以通过表面等离子共振传感器、石英晶体微天平、荧光显微镜来表征。

上述制备方法制备的二氧化硅表面包括以二氧化硅为主要成分的器件材料表面，经修饰后的二氧化硅表面对蛋白、细菌具有抗污染作用。其中所述的蛋白为牛血清蛋白、溶菌酶或β乳球蛋白，也可以是果汁、牛奶或胃液，还可以是其它合适的蛋白。

本发明提供了一种基于线形磷酸胆碱聚合物修饰的二氧化硅表面的制备方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。