聚苯胺抗菌、抗黏附作用的理論及實驗研究.pdf

1、自然界中廣泛存在生物黏附的現(xiàn)象，自二十世紀八十年代以來，人們就開始關(guān)注生物黏附的機理，并用于開發(fā)藥物傳遞系統(tǒng)且取得了一定的成績。對生物黏附機理的深入研究，將為醫(yī)學(xué)、新藥開發(fā)、生物材料等領(lǐng)域提供新的研究思路和方法。對生物黏附阻斷的原理及其相關(guān)新技術(shù)、新方法的研究，具有重要的學(xué)術(shù)價值及廣闊的應(yīng)用前景。
　　由于海水的高流動性，海洋生物中的黏附現(xiàn)象比較普遍和典型。本文以海洋生物分泌的DOPA（3,4-二羥基苯丙氨酸，多巴）粘附單元為研究

2、對象，此分子被認為是海洋生物黏附的關(guān)鍵，并普遍存在于海洋生物中，如海洋細菌，硅藻，貽貝和藤壺等。這些海洋污損生物會附著在船底或水下設(shè)施，造成船舶壽命縮短，水下設(shè)施腐蝕，帶來巨大的經(jīng)濟損失。常規(guī)的防污方法存在破壞海洋生態(tài)環(huán)境，防污期效短等缺點，因此如何有效防除附著生物一直是一個世界性的難題。研制開發(fā)新型環(huán)保的海洋防污技術(shù)和材料，已成為當前海洋防污領(lǐng)域的研究熱點。本文從防污涂料阻斷海洋生物黏附的角度出發(fā)，綜合運用了分子動力學(xué)、分子生物學(xué)以及

3、生物化學(xué)的相關(guān)知識，建立理論計算模型，從分子水平上探討聚苯胺阻斷DOPA等黏附分子的相關(guān)機理研究，為探討聚苯胺的抗菌，抗黏附提供有力的理論依據(jù)。同時，通過掛板實驗，研究聚苯胺對海洋細菌和硅藻黏附的抑制作用，為探討聚苯胺的抗菌，抗黏附提供有力的實驗依據(jù)。具體研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　?、俨捎昧孔踊瘜W(xué)密度泛函理論，對海洋生物分泌粘液中的酪氨酸（Tyr）及其氧化物DOPA、DOPA醌（DOPA的氧化物）、DOPA二聯(lián)體（兩個DOPA發(fā)生氧

4、化偶聯(lián)反應(yīng)的產(chǎn)物）和聚苯胺三種主要結(jié)構(gòu)成分模型（本征態(tài)，單極化子，醌式雙極化子）的性質(zhì)進行了理論研究。電荷控制的反應(yīng)中，正負電荷互相吸引，且所帶正負電荷越多，相互作用可能越大，吸附能也就越大。計算結(jié)果表明，Tyr、DOPA、DOPA二聯(lián)體的OH-（約-0.2～-0.25e）以及DOPA醌的O=（約-0.36e）官能團負電性很高（圖2.1），是主要的吸附活性中心[1,2,3]。親電（親核）敏化指數(shù)（Fukui）是指受親電（親核）試劑攻擊的

5、可能性大小，是研究有機化合物的親電或親核反應(yīng)性及確定分子活性部位的有效方法。圖中藍色圖像部分為 DOPA等受親電進攻時各原子的電荷密度變化，密度越大即藍色圖像越大，發(fā)生親電反應(yīng)的可能性越大。可以看出，Tyr、DOPA、DOPA二聯(lián)體的苯環(huán)要比DOPA醌的苯環(huán)易受親電攻擊（圖2.2）.聚苯胺上的N原子是主要活性中心。聚苯胺本征態(tài)結(jié)構(gòu)的N原子主要帶正電，苯環(huán)帶負電，單極化子和醌式雙極化子結(jié)構(gòu)電荷分布與本征態(tài)正好相反，N原子主要帶負電，而苯環(huán)

6、帶正電（圖2.3）。
　?、诓捎梅肿觿恿W(xué)模擬方法，將聚苯胺的三種主要結(jié)構(gòu)（本征態(tài)，單極化子，醌式雙極化子）分別模擬構(gòu)建三種不同的表面，研究黏性分子DOPA、DOPA醌、DOPA二聯(lián)體及Tyr與三種表面的相互作用。計算結(jié)果表明，在本征態(tài)表面，各黏附分子吸附能大小比較為：DOPA醌>DOPA二聯(lián)體>DOPA>Tyr,其原因可能是本征態(tài)的N原子主要帶正電， O=負電性要大于OH-，所以DOPA醌的吸附能最大。Tyr只有一個酚羥基，吸附

7、能最小。在單極化子和醌式雙極化子表面，DOPA二聯(lián)體>DOPA>Tyr>DOPA醌。（圖2.22）其原因可能是由于兩種極化表面的N原子由于被質(zhì)子化，N原子主要帶負電，此時作為主要活性中心的OH-和O=的吸附作用都減弱了。從圖2.10可以看出，經(jīng)過動力學(xué)平衡后，DOPA分子的苯環(huán)發(fā)生較大的傾斜，此時吸附能的貢獻可能來自于黏附分子苯環(huán)與表面苯環(huán)間的相互作用。根據(jù)DOPA和DOPA醌的親電進攻敏化指數(shù)Fukui(-)，DOPA醌苯環(huán)的活性最小

8、，所以DOPA醌的吸附能最小。（圖2.2）
　　③采用分子動力學(xué)模擬方法，建立貽貝黏附蛋白四個大分子（Mefp-1, Mefp-1’ Mefp-3, Mefp-5）與三種表面相互作用的“雙層結(jié)構(gòu)”模型，對它們的相互作用能進行了系統(tǒng)研究，其中Mefp-1’是將Mefp-1中的DOPA替換成DOPA醌。研究表明，Mefp-1， Mefp-3和Mefp-5在本征態(tài)表面的吸附能最小，Mefp-1’在單極化子表面吸附能最小，（圖3.2）再次

9、表明 DOPA在本征態(tài)表面的吸附能最小， DOPA醌在單極化子表面吸附能最小，不同的黏附分子在不同結(jié)構(gòu)表面吸附能有很大的不同，可作為阻斷黏附的出發(fā)點。
　　④通過在實驗室掛板，觀察聚苯胺導(dǎo)電涂料對海洋細菌和硅藻的抗黏附作用。結(jié)果顯示，聚苯胺板上3天后對海洋細菌黏附的最低阻斷率為51％。2天后對硅藻的阻斷率為96.00%,10天后對硅藻的阻斷率為71.63%，25天后為63.32%，70天后為56.61%。這說明聚苯胺具有抗菌、抗黏

10、附的功能。但隨著試驗時間的延長，聚苯胺抗菌抗黏附的效果會逐漸降低。其原因可能是細菌或海藻將黏附分子進行轉(zhuǎn)化，獲得在聚苯胺表面最佳的吸附方式。
　　根據(jù)計算模擬結(jié)果和實驗結(jié)果可知，聚苯胺具有抗菌抗黏附的功能，本征態(tài)聚苯胺對以 DOPA為主要黏附分子的細菌或海藻，抗黏附作用最明顯，而摻雜態(tài)聚苯胺（單極化子）對以 DOPA醌為主要黏附分子的細菌或海藻，抗黏附作用最明顯。隨著時間延長，聚苯胺抗菌抗黏附的效果降低，主要是由于DOPA等黏附分