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胶原蛋白自组装结构及其离子效应的研究

李鹏程  
【摘要】:近年来,胶原蛋白以其优异的生物相容性、生物可降解、无毒性、非抗原性等特点,在食品工业、制革工艺、生医材料以及化妆品等方面的应用及其潜在价值逐渐受到人们关注。为进一步开发胶原蛋白这一丰富的天然资源,将其更好地利用到相关的材料领域,需要进一步改善并提高它们的强度特性等性能。在纳米尺度上控制胶原蛋白分子的排列对于所构造的材料特性及其应用具有积极的意义,已有研究者通过分子自组装研究胶原蛋白分子的结构并探索其组装过程。目前大多数研究集中在考察胶原蛋白的浓度、自组装时间、溶液pH、电解质、基底等因素对胶原蛋白自组装过程的影响。而对于不同分散介质或溶液中金属离子对胶原蛋白自组装过程的影响的研究尚不多见,到目前为止还没有报道阴离子在自组装过程中对胶原蛋白结构的影响。本论文以胶原蛋白的自组装结构为中心,考察了分散介质、阴离子基团、金属离子等因素对胶原蛋白自组装结构的影响,具体开展了如下研究工作: (1)考察了分散介质对胶原蛋白自组装结构的影响。采用原子力显微镜为主要研究手段,分别选用了0.2mol/L的乙酸、超纯水、0.2mol/L的磷酸缓冲溶液为分散介质。通过控制胶原蛋白的浓度,研究了其自组装结构在云母表面的变化,发现胶原蛋白在醋酸分散体系中随浓度的变化生长成薄膜结构、在PBS分散体系中随浓度的变化逐渐生长为纤维结构。此外,在PBS体系中,研究了pH值对胶原蛋白自组装纤维结构的影响。结果发现碱性条件下,胶原蛋白在云母表面容易聚集组装成较高的棒状或枝状体。这一研究工作可为后续研究离子调控胶原蛋白自组装提供参考。 (2)研究了不同阴离子基团在胶原蛋白自组装过程中的离子效应。采用Cl-、SO_4~(2-)和CH_3COO~-三种不同阴离子盐,首次研究阴离子基团在胶原蛋白自组装过程中的影响,并利用霍夫迈斯特离子序列进行详细的解释说明。实验表明,归属于chaotropes的Cl-表现出典型的蛋白质变性剂的效果,明显改变了胶原蛋白自组装的结构。然而同属于kosmotropes的SO_4~(2-)和CH_3COO~-对于胶原蛋白自组装结构的影响也不尽相同。论文中讨论了各种离子对胶原蛋白自组装结构的影响,希望可以为以后研究开发胶原蛋白的应用提供参考。 (3)考察了不同金属离子对胶原蛋白自组装结构的影响。分别利用Co~(2+)、Ag~+、Mg~(2+)、Zn~(2+)、Ni~(2+)五种金属离子盐参与胶原蛋白自组装,观测了胶原蛋白自组装结构随离子浓度的变化。实验发现,利用300mM的CoAc2可调控10μg/mL胶原蛋白在云母表面自组装形成结构均一的网状结构,而750mM的MgSO4可调控25μg/mL胶原蛋白在云母表面形成紧密排列的有序的胶原纤维。分别讨论了云母表面胶原蛋白自组装结构随各金属离子浓度的变化规律,并利用Kollins理论分析解释了离子之间、离子与胶原蛋白分子之间作用关系。


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