PAAm水凝胶与几纳米厚的聚合物链之间的相互作用。-车品展示-聚鸿汽车用品

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文字|野树岛

编辑|野树岛

前言

当纳米颗粒、重金属和离子等物质从工业中释放到环境中时，它们会与生物体细胞发生反应并引起性。该实验的主要目标是开发一种模拟各种细胞特性的新细胞模型。研究了与水环境的相互作用，包括机械行为。

生物膜模型

细胞膜是高渗透性和高选择性的生物膜，将活细胞的内部和外部环境分开。

通过调节膜内分子的运动，它为活细胞提供机械稳定性，同时维持细胞内部环境的必要条件。细胞膜是动态结构，在细胞生命周期的不同阶段根据环境而变化。细胞膜具有复杂的组成和超微结构，通常由磷脂双层、内在蛋白质和脂多糖组成。

为了系统地研究颗粒-膜相互作用，通常使用生物膜模型而不是活细胞。这允许对多个参数进行更长时间的研究和系统调查。

天然或合成的脂质双层经常用作细胞膜模型，以研究金属离子、有机物和表面活性剂等污染物对膜细胞性的影响。

脂质双层被吸附到固体基质上。一些研究指出了该模型的一些局限性。脂质双层和固体基质之间的高摩擦力可能会降低脂质双层的横向移动性，这与活性相关。细胞膜的空间流动特性相反。

由于所研究的脂质双层的高度只有几纳米，因此嵌入其中的蛋白质由于与基质的强烈相互作用而通常缺乏流动性，这与嵌入活细胞膜中的蛋白质的行为不同。离子和其他溶质在支持的脂质双层中的扩散路径仅为2至3纳米，这与真实细胞有很大不同。

为了克服或部分解决上述，在脂质双层和固体基质之间插入聚合物膜。

薄聚合物层附着在固体基质上，使聚合物支持的脂质双层能够长距离横向移动，并使膜模型更类似于真实的细胞膜。聚合物膜作为脂质双层和固体基质之间的间隔层，不仅减少了固体基质的影响，而且为嵌入的蛋白质提供了更大的接触面积。

与脂质双层-固体基质模型中颗粒的短扩散路径相比，这种聚合物支持的脂质基质提供了包含脂质双层和聚合物的更长的扩散路径。

PAAm水凝胶的合成

要制备PAAm水凝胶，请将25mm盖玻片放在热板上，然后向每个盖玻片中添加500L01MNaOH溶液，以覆盖整个盖玻片表面。

然后将含有溶液的盖玻片加热至80C，以防止溶液沸腾，直至液体蒸发，在盖玻片上留下半透明的NaOH薄膜。

如果膜不均匀，可通过向盖玻片中添加500L去离子水并加热直至NaOH膜均匀来稀释NaOH溶液。

然后将盖玻片放入通风橱中，在每个盖玻片表面添加200LAPES，反应5分钟，然后用去离子水冲洗盖玻片的顶部和底部，以去除多余的APES。

将盖玻片在去离子水中浸泡两次，每次5分钟，在去离子水中冲洗两次，然后将盖玻片置于含有05戊二醛的磷酸盐缓冲液的培养皿中，浸泡30分钟。

然后用Kimwipe纸擦拭盖玻片并用氮气干燥。预处理的盖玻片可保持活性48小时。

将DCDMS应用到通风橱中2575mm玻璃片的两侧。

5分钟后，用Kimwipe纸除去多余的DCDMS，并用去离子水冲洗每个载玻片1分钟。

将丙烯酰胺和双丙烯酰胺按照表1所示的比例在去离子水中混合，并将混合物在强真空下脱气15分钟以除去溶解的氧。

将APS总体积的1/100和TEMED总体积的1/1000添加到混合物中，并将溶液涡旋约30秒。

将25L凝胶溶液转移到载玻片上，将溶液夹在载玻片和盖玻片之间，处理面朝下，让凝胶聚合10分钟。

取下底部载玻片，用去离子水冲洗盖玻片以除去未聚合的丙烯酰胺，并将盖玻片以凝胶涂层面朝上的方式放置在6孔板中并储存在4下。水凝胶可以保存一个月而不改变机械性能。

在该项目中，水凝胶可保存长达15天，并按照该方案准备用于原子力显微镜研究的水凝胶。

为了从TInAS传感器制备水凝胶，仅省略了涉及NaOH和戊二醛的步骤，以防止传感器染色影响光路。还为QCM金传感器制备了水凝胶，但省略了NaOH、APES和戊二醛的步骤，因为发现它们可以提高与金传感器的结合质量，移液到TInAS传感器上的聚合物溶液的量为075L。05L应用于QCM传感器，导致水凝胶厚度分别为6m和4m。

囊泡的吸附和脂质双层的形成

吸附脂质双层膜的测试在三种不同的系统中进行直接在刚性基底上、直接吸附在金QCM传感器上的PEM以及吸附在金和二氧化硅传感器上的PAAm支持的PEM。进行了脂质囊泡的吸附实验。具体步骤如下

洗涤后，用Tris缓冲液pH80和NaCl平衡QCM二氧化硅和金传感器，平衡后将系统调谐至晶体的共振频率。

通过连续运行Tris缓冲液pH80和NaCl10分钟来获得缓冲液基线。然后将缓冲液替换为用脂质囊泡稀释的浓度为01mg/ml的缓冲液。达到平衡后，用缓冲液替换脂质囊泡溶液，洗去吸附较弱的脂质囊泡。

这是用于与聚合物膜和水凝胶上的脂质囊泡吸附进行比较的参考测量。

由于脂质囊泡不会吸附在PAAm和PAAm-co-IA水凝胶上，因此采用逐层方法将水凝胶涂覆4至5层，其中PAH为顶层。金表面失败，结果部分集中在PAAm上。

用水冲洗后，将含有NaCl和CaCl2（pH80）的Tris缓冲液流过设备。

达到平衡后，将浓度为01mg/ml的脂质囊泡吸附到含有NaCl和CaCl2的pH80的Tris缓冲液中。

与刚性基质上的直接吸附相比，添加CaCl2可以改善脂质囊泡的吸附。还使用相同的实验研究了金支持的PEM上的脂质囊泡吸附。

在QCM测量中，首先将NaCl溶液添加到设备中，然后添加聚合物溶液，这与经典的逐层形成方案不同。

这使我们能够区分盐聚合物溶液的密度和粘度对频率和耗散变化的影响以及聚合物吸附的影响。与水相比，500mMNaCl溶液具有更高的密度和粘度，导致初始频率降低。

第一次PSS吸附后，耗散变为负值。声酸可以通过多孔水凝胶中聚合物的吸附来解释，预期孔径约为100nm，这增加了多孔基质的刚度。

由于无法区分孔内的吸附与水凝胶/溶液界面处的吸附，因此无法确定新的基线。

在用水冲洗期间，频率增加且耗散减少，这是由于以下协同效应溶液密度和粘度降低——当聚合物溶液被水交换为氯化钠时聚合物解吸——聚丙烯酰胺和PSS之间。发现相互作用很弱。

漂洗过程中的总体变化表明聚合物解吸和溶液密度降低是主要影响因素。

脂质双层的形成

在PEM-水凝胶复合材料中，频率从f7急剧下降至-26Hz，并观察到一个小的耗散峰值。

这表明胶囊在表面立即破裂，保持低耗散，并且频率的总体变化与在平坦的二氧化硅涂层QCM传感器上测量的非常相似。然而，PEM-流体界面很粗糙，与平坦表面相比，由于表面积增加，预计会导致频率和耗散发生更大的变化。根据Voigt模型计算的脂质双层的厚度约为31nm，而PEM-水凝胶复合材料的厚度约为21nm，表明仅部分覆盖。

为了了解白蛋白在脂质双层上的吸附机制，研究了各种参考系统。显示了在一种二氧化硅上脂质囊泡吸附后白蛋白吸附的代表性结果，以及显示了直接吸附在两种二氧化硅上的PAH-PSS-PAH2上脂质囊泡吸附后白蛋白吸附的代表性结果。我们假设白蛋白密度为132g/cm3，并使用Voigt模型对结果进行建模。

在二氧化硅支持的PEM中，白蛋白吸附很重要，吸附层厚度约为18nm，即小于囊泡尺寸。

我们首先评估了囊泡的吸附作用。也没有观察到特征孔。这意味着囊泡没有在界面处破裂或在吸附后立即破裂。

频率变化约为-90Hz，耗散变化约为2x10-6并保持恒定。简单的计算表明，测量的频率变化小于完全覆盖的囊泡的预期变化。32nm内质网和磷脂的摩尔质量为770g/mol，每个磷脂的表面积约为085nm2，那么完全覆盖内质网的QCM传感器的吸附质量为326g/cm2，对应至-184Hz。

根据数据，可以排除完全覆盖含有囊泡的PEM流体界面的可能性。当界面充满囊泡时，只有50%的表面积被囊泡覆盖。

该实验的新颖之处在于使用水凝胶作为脂质双层的支撑材料，其中一些具有为颗粒提供更长的扩散路径并更好地模拟活细胞的机械性能的优点。这两个都可以调整。通过选择合适的合成参数，

PAAm水凝胶充当聚合物缓冲垫，通过调节单体和交联剂的浓度，PAAm水凝胶的刚度可调节至约3kPa，与真实细胞的刚度相似。

由于水凝胶的强烈水合，发现水凝胶中脂质双层的形成是一个非常困难的过程。

促进脂质吸附到水凝胶上的方法是采用逐层方法，使用交替的阳离子和阴离子聚电解质，包括分别带有正电荷和负电荷的PAH和PSS。技术。

对于PAH顶层和带负电的脂质囊泡，脂质吸附到水凝胶支撑的聚电解质膜上是通过静电相互作用实现的。

钙离子的存在增强了脂质的吸附。这意味着顶层是PAH，但底层的磺酸盐具有更高的表面密度，并且PAH的分子量比PSS小得多。我们测试了其他具有较高分子量的阳离子聚合物对于未来提出的过量磺酸盐的可行性。

AFM纳米压痕和横向力显微镜技术用于研究不同系统的机械性能，例如PAAm水凝胶、PAAm水凝胶支撑的聚电解质膜PEM和c脂质双层。