以天然生物被膜為啟發(fā)：科學(xué)家用D型氨基酸造出防污新材料，可避免海洋防污劑大量使用

前不久，95 后科學(xué)家李祥宇為海洋工程材料披上了一層致密的“防護(hù)鎧甲”，讓海洋防污迎來(lái)了一種新策略。
圖 | 李祥宇（來(lái)源：李祥宇）
李祥宇所在的遼寧省，是中國(guó)的一個(gè)沿海省份。他所任職的東北大學(xué)，便位于該省的沈陽(yáng)市。
作為沿海省份的一名科研人員，他將自身所長(zhǎng)和地域需求加以結(jié)合，從清華大學(xué)博士畢業(yè)后一直專注于研究海洋防污，入選了中國(guó)博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃，并獲得海洋強(qiáng)國(guó)青年科學(xué)家提名獎(jiǎng)。
與此同時(shí)，我國(guó)海域總面積約為 473 萬(wàn)平方千米。因此，李祥宇的研究方向是一個(gè)富有應(yīng)用前景的科研領(lǐng)域。
近日，他和團(tuán)隊(duì)造出一種金屬有機(jī)框架材料涂層，兼具殺菌功能和生物被膜驅(qū)散功能，能夠?qū)崿F(xiàn)自觸發(fā)防污，同時(shí)本次策略具備基底普適生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。
在海洋防污領(lǐng)域，憑借獨(dú)特的防污增效性能，本次涂層材料能避免海洋防污劑的大量使用，降低防污涂層的環(huán)境危害性并延長(zhǎng)其服役壽命。
在工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療健康等領(lǐng)域，面對(duì)無(wú)處不在的生物被膜，本次涂層材料可以有效提高工業(yè)設(shè)備在復(fù)雜生物環(huán)境中的服役壽命，提高醫(yī)療植入體和人體之間的生物兼容性，進(jìn)而避免感染等情況的發(fā)生。
（來(lái)源：Advanced Materials）
填補(bǔ)手性抗菌防污的研究空白
近年來(lái)，隨著中國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)、軍民融合等戰(zhàn)略的推行，海洋資源的開(kāi)發(fā)利用已成為提高綜合國(guó)力和爭(zhēng)奪戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)的制高點(diǎn)。
然而，在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中，大量的微生物、動(dòng)植物不可避免地在工程設(shè)施表面黏附、生長(zhǎng)和繁殖，以至于會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的海洋生物污損，從而成為困擾海洋工程材料發(fā)展的長(zhǎng)期性難題。
而現(xiàn)階段的海洋防污涂層大多面臨著環(huán)境危害大、服役壽命短、防污效果差的缺點(diǎn)，嚴(yán)重阻礙海洋經(jīng)濟(jì)的快速可持續(xù)發(fā)展。
如何通過(guò)剖析污損過(guò)程針對(duì)性地設(shè)計(jì)全新的防污機(jī)理，從根本上開(kāi)發(fā)新型防污材料，是突破該領(lǐng)域卡脖子技術(shù)的關(guān)鍵所在。
研究發(fā)現(xiàn)，由細(xì)菌、胞外聚合物等構(gòu)成的生物被膜，是海洋生物污損形成的關(guān)鍵步驟。
如能抑制生物被膜的形成，則有望為海洋防污提供有效的技術(shù)途徑。
然而，相比于游離的細(xì)菌，生物被膜作為微生物的保護(hù)性框架，具有普適性生長(zhǎng)、黏附能力強(qiáng)、持續(xù)反復(fù)的特點(diǎn)。
即使采用高含量的殺菌劑，也難以抑制生物被膜的形成，反而會(huì)造成細(xì)菌耐藥性的問(wèn)題。
此外，對(duì)于成熟的生物被膜的根除更是面臨巨大的困難，即使是光熱、光催化、化學(xué)動(dòng)力學(xué)等前沿殺菌策略也束手無(wú)策。
2010 年，研究人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌自我分泌的 D 型氨基酸是促進(jìn)生物被膜天然分解的關(guān)鍵信號(hào)。
而李祥宇所在的課題組也是國(guó)際上最早開(kāi)展生物被膜分解增效劑研究的團(tuán)隊(duì)之一。
他和同事發(fā)現(xiàn)：利用生物功能信號(hào)分子 D-氨基酸作為殺菌劑增效劑，通過(guò) D-氨基酸的“開(kāi)關(guān)”作用，可以實(shí)現(xiàn)細(xì)菌生物被膜的快速驅(qū)散。
借此能將難以殺死的細(xì)菌生物被膜轉(zhuǎn)化為容易被殺死的游離態(tài)細(xì)菌，從而幫助殺菌劑更有效地殺死細(xì)菌生物被膜。
在降低殺菌劑使用量的前提下，能將殺菌效率提高 102-104 倍。
然而，由于采用的是殺菌劑與 D 型氨基酸的藥劑復(fù)配體系，這種小分子游離形式面臨易失活、壽命短、難循環(huán)的難題，會(huì)讓抗菌防污效果難以持續(xù)。
為此，李祥宇和同事一直在思考能否制備一種含有殺菌劑與 D 型氨基酸的穩(wěn)定一體化防污材料。
“兩年前的一個(gè)夜晚，我突然想到金屬有機(jī)框架材料本身具有結(jié)構(gòu)可控、活性位點(diǎn)多、孔隙率高的優(yōu)點(diǎn)，那么能否用金屬有機(jī)框架材料來(lái)實(shí)現(xiàn)一體化的構(gòu)建呢？”他說(shuō)。
第二天，他就開(kāi)始著手調(diào)研文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)氨基酸基金屬有機(jī)框架材料報(bào)道較少，對(duì)于手性抗菌防污的研究更是處于空白地帶。
于是，他和同事制定出詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案，針對(duì)金屬有機(jī)框架材料中心抗菌金屬離子和氨基酸配體進(jìn)行上百次的組合優(yōu)化。
為的是能夠設(shè)計(jì)一種“一劑多效”的防污材料，實(shí)現(xiàn)抗菌與驅(qū)散的一體化，并能提出一些關(guān)于手性防污的全新觀點(diǎn)。
在他們的設(shè)想中：材料在發(fā)揮防污作用時(shí)好比拆房子一樣。
材料能把生物被膜、也就是把微生物的“房子”骨架先拆除，進(jìn)一步將每個(gè)細(xì)菌“磚塊”逐一擊破，從而實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的表面防護(hù)。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們先是篩出合適的金屬有機(jī)框架材料構(gòu)筑單元，并從中心離子上和配體上進(jìn)行多次組合驗(yàn)證。
“基本上所有的手性氨基酸我們都試了一遍，借此篩出了幾種具有優(yōu)異防污功能的金屬有機(jī)框架材料?！崩钕橛钫f(shuō)。
（來(lái)源：Advanced Materials）
隨后，針對(duì)這些候選材料的微觀形貌、配位方式和成核生長(zhǎng)過(guò)程加以研究，這讓他們得以針對(duì)手性氨基酸金屬有機(jī)框架材料構(gòu)筑，建立出一套較為完整的方法論。
不過(guò)，在實(shí)際應(yīng)用中金屬有機(jī)框架材料始終存在一個(gè)弊端，即由于其本征粉體的性質(zhì)，導(dǎo)致它很難直接在基底表面實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。
此前人們普遍采用的有機(jī)基質(zhì)共混的方法，也一直面臨著金屬有機(jī)框架材料易團(tuán)聚、有效成分低的問(wèn)題。
為此，李祥宇一直在思考：到底有沒(méi)有一種方法能讓所開(kāi)發(fā)的手性金屬有機(jī)框架材料，以均勻、致密的方式生長(zhǎng)在任何基底表面？
“后來(lái)，我想到自己在讀博期間一直做的多巴胺涂層，其具有基底普適、黏附強(qiáng)度大的優(yōu)勢(shì)。
通過(guò)利用這種涂層和經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化，我們篩選得到一種具有優(yōu)異涂覆性質(zhì)的基于金屬多酚網(wǎng)絡(luò)的前驅(qū)體涂層。”李祥宇表示。
前驅(qū)體涂層中的金屬離子，不僅能通過(guò)調(diào)控席夫堿反應(yīng)等自聚過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定界面的包覆，還能作為金屬有機(jī)框架材料原位礦化生長(zhǎng)的關(guān)鍵成核位點(diǎn)。
在此基礎(chǔ)之上，他們將把無(wú)定型的前驅(qū)體涂層涂層、和結(jié)晶的金屬有機(jī)框架材料進(jìn)行有效結(jié)合，從而在多種類型基底材料表構(gòu)建了手性防污涂層。
進(jìn)一步地，課題組針對(duì)涂層的游離細(xì)菌殺滅、生物被膜形成抑制、成熟生物被膜驅(qū)散均等功能進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估。
并通過(guò)組學(xué)和材料學(xué)等多學(xué)科交叉方式，探討了手性金屬有機(jī)框架材料的防污機(jī)理，同時(shí)還利用 RNA 測(cè)序轉(zhuǎn)錄組學(xué)證明手性氨基酸具有獨(dú)特的生物被膜驅(qū)散機(jī)理。
在細(xì)菌生物被膜的基礎(chǔ)之上，他們又研究了防海洋微藻的粘附能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)手性金屬有機(jī)框架材料具有獨(dú)特的光致發(fā)光特性。
而且它的發(fā)光波段恰好處于能夠有效抑制微藻定殖的波段范圍內(nèi)，故能讓協(xié)同防污效果得到進(jìn)一步提高。
（來(lái)源：Advanced Materials）
“瞬間就出現(xiàn)了藍(lán)色沉淀”
據(jù)李祥宇介紹，研究伊始他和同事曾想設(shè)計(jì)抗菌元素和手性氨基酸整合的金屬有機(jī)框架材料結(jié)構(gòu)。
在材料的制備驗(yàn)證中，他們將氯化銅溶液滴加到手性甲硫氨酸溶液之中，瞬間就出現(xiàn)了藍(lán)色沉淀。
通過(guò)后續(xù)的形貌表征和組成表征，課題組確定了本次材料的金屬有機(jī)框架材料屬性。
期間也發(fā)現(xiàn)了不少有趣現(xiàn)象，比如通過(guò)改變反應(yīng)物比例、溶劑、溫度、pH 等反應(yīng)條件，他們發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物會(huì)同步地發(fā)生顏色變化。
這激發(fā)了他們進(jìn)一步深入研究的熱情，于是該團(tuán)隊(duì)收集了各種反應(yīng)條件下的產(chǎn)物。
并對(duì)其進(jìn)行掃描電鏡觀察，借此發(fā)現(xiàn)不同反應(yīng)條件下的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，既有二維納米片狀、也有花瓣?duì)罴{米團(tuán)簇。
（來(lái)源：Advanced Materials）
通過(guò)此，他們針對(duì)手性氨基酸金屬有機(jī)框架材料形貌實(shí)現(xiàn)了精確調(diào)控。
與此同時(shí)，他們也產(chǎn)生了一個(gè)疑問(wèn)：形貌結(jié)構(gòu)演變的過(guò)程和原理是什么？
抱著刨根問(wèn)底的態(tài)度，課題組針對(duì)整個(gè)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，結(jié)果觀察到了金屬有機(jī)框架材料從不完全球體的錐形片層結(jié)構(gòu)、到各向同性納米團(tuán)簇的定向生長(zhǎng)過(guò)程。
也正是這一過(guò)程，為他們打造手性氨基酸金屬有機(jī)框架材料體系提供了有力支撐。
通過(guò)此，他們成功構(gòu)建出基于銅離子和 D 型甲硫氨酸體系的全新金屬有機(jī)框架材料，并采用金屬多酚網(wǎng)絡(luò)，得以在任何基底表面都能實(shí)現(xiàn)普適化構(gòu)筑。
進(jìn)一步地，該團(tuán)隊(duì)擴(kuò)展了手性氨基酸配體體系，發(fā)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)思路能夠適用于多種手性金屬有機(jī)框架材料的構(gòu)筑。
最終，他們建立了基于氨基酸的新型防污金屬有機(jī)框架材料的制備策略。
日前，相關(guān)論文《可用于自激活和可持續(xù)生物污垢緩解的堅(jiān)固型手性金屬有機(jī)骨架涂層》（Robust Chiral Metal–Organic Framework Coatings for Self-Activating and Sustainable Biofouling Mitigation）為題發(fā)在 Advanced Materials（IF 27.4）。
東北大學(xué)博士生于智群和李祥宇教授是共同一作，李祥宇和東北大學(xué)徐大可教授擔(dān)任共同通訊作者 [1]。
圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Advanced Materials）
目前，他們正在優(yōu)化可用于實(shí)際海域的防污涂層配方工藝，并已取得不錯(cuò)的效果。另外，也打算與其他學(xué)科的學(xué)者開(kāi)展合作，探索手性金屬有機(jī)框架材料在醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

參考資料：1.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202407409
運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍

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