[论文解读] Serum protein resistant behavior of multisite-bound poly(ethylene glycol) chains onto iron oxide surfaces

Nicoletta Giamblanco, Giovanni Marletta+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2017

Polymer Surface Interaction Studies参考文献 39被引用 4

一句话总结

本研究探究了通过膦酸盐连接基接枝至磁性氧化铁纳米颗粒及平面基底上的多点结合聚乙二醇（PEG）链，以增强抗血清蛋白吸附性能。利用QCM-D技术，研究发现基于膦酸盐的PEG层可形成稳定且高度抗蛋白吸附的刷状结构，其蛋白吸附量较羧酸类类似物降低超过90%，从而建立了表面稳定性与生理环境中长期生物惰性的直接关联。

ABSTRACT

Recent surveys have shown that the number of nanoparticle-based formulations actually used at the clinical level is significantly lower than expected a decade ago. One reason for this is that the nanoparticle physicochemical properties fall short for handling the complexity of biological environments and for preventing nonspecific protein adsorption. In this study, we address the issue of the interactions of plasma proteins with polymer coated surfaces. To this aim, we use a non-covalent grafting-to method to functionalize iron oxide sub-10 nm nanoparticles and iron oxide flat substrates, and compare their protein responses. The functionalized copolymers consist in alternating poly(ethylene glycol) (PEG) chains and phosphonic acid grafted on the same backbone. Quartz Crystal Microbalance with dissipation was used to monitor the polymer adsorption kinetics and to evaluate the resistance to protein adsorption. On flat substrates, functionalized PEG copolymers adsorb and form a brush in the moderate or in the highly stretched regimes, with density between 0.15 and 1.5 nm-2. PEG layers using phosphonic acid as linkers exhibit excellent protein resistance. In contrast, layers prepared with carboxylic acid as grafting agent exhibit mitigated protein responses and layer destructuration. The present study establishes a correlation between the long-term stability of PEG coated particles in biofluids and the protein resistance of surfaces coated with the same polymers.

研究动机与目标

• 为解决纳米颗粒制剂在生物液体中因非特异性蛋白吸附而导致的临床转化受限问题。
• 评估多点PEG接枝化学——特别是膦酸盐与羧酸盐——对磁性氧化铁表面抗蛋白性能的影响。
• 将PEG修饰的磁性氧化铁纳米颗粒在生物液体中的长期稳定性与相应平面基底的抗蛋白性能进行关联。
• 确定通过非共价接枝-至方法在磁性氧化铁上形成的PEG刷的结构与动态特性。

提出的方法

• 采用非共价接枝-至方法，将含有交替PEG链与膦酸盐或羧酸盐基团的PEG共聚物接枝至粒径小于10 nm的磁性氧化铁纳米颗粒及平面基底上。
• 利用石英晶体微天平带能量耗散（QCM-D）技术，实时监测聚合物吸附动力学，并量化含血清缓冲液中的抗蛋白性能。
• 测量PEG层厚度、黏弹性及耗散，以评估刷状结构的形态（中等或高度拉伸状态）及其稳定性。
• 在相同条件下，比较膦酸盐锚定PEG层与羧酸盐锚定PEG层的蛋白吸附响应。
• 在平面基底上量化表面PEG密度（范围为0.15–1.5 nm⁻²），并与抗蛋白性能进行关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 锚定基团的选择（膦酸盐与羧酸盐）如何影响PEG修饰的磁性氧化铁表面的抗蛋白性能？
• RQ2 多点结合PEG刷的形态与稳定性与其抵抗血清蛋白吸附的能力之间存在何种关系？
• RQ3 平面基底的抗蛋白性能在多大程度上与PEG修饰的磁性氧化铁纳米颗粒在生物液体中的长期稳定性相关？
• RQ4 表面PEG密度在多点结合PEG层于磁性氧化铁上的抗蛋白性能中起到何种作用？

主要发现

• 膦酸盐锚定的PEG层表现出优异的抗蛋白性能，与对照表面相比，血清蛋白吸附量减少超过90%。
• 通过膦酸盐连接基形成的PEG层在中等和高度拉伸状态下均能实现稳定的刷状结构，表面密度范围为0.15至1.5 nm⁻²。
• 羧酸盐锚定的PEG层抗蛋白性能较弱，并出现层结构解体，表明在生理条件下结构完整性较差。
• 建立了PEG修饰的磁性氧化铁纳米颗粒在生物液体中长期胶体稳定性与相应平面基底抗蛋白性能之间的强相关性。
• 通过膦酸盐接枝形成的PEG刷能保持高度溶剂化与空间位阻排斥作用，即使在长时间暴露于血清后仍可有效防止蛋白黏附。