Ti3C2Tx MXene 抗蛋白質(zhì)吸附的分子模擬

陳 莉，朱袁鋒

（1.天津工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 省部共建分離膜與膜過程國家重點實驗室，天津 300387）

MXene 是一類由2 層或多層過渡金屬原子（M 原子）和碳/氮原子（X 原子）組成的二維層狀材料。其中，M 原子堆積在蜂窩狀的二維晶格中，X 原子插層在鄰近的M 原子層之間。Ti3C2TxMXene 是一種典型的MXene 材料，通過Ti3AlC2MAX 前驅(qū)體在氫氟酸中選擇性刻蝕掉Al 原子層制成[1-3]。Ti3C2TxMXene 作為一種新興的二維材料，由于具有高比表面積、容易功能化、尺寸可控等特點[4-7]，在氣體分離[8]、海水淡化[9]、有機溶劑納濾[10]、生物[11]等領(lǐng)域取得了很大的進展。

蛋白質(zhì)吸附會引起血小板粘附，進而引發(fā)血栓，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。目前傳統(tǒng)的抗蛋白吸附材料主要聚焦于聚乙二醇和兩性離子材料，但是聚乙二醇的不穩(wěn)定性和兩性離子材料表面的親/疏水組分不相容決定了它們并不是最優(yōu)選。因此，研究Ti3C2TxMXene 作為抗蛋白吸附材料的可行性及其抗蛋白質(zhì)吸附機理，不論在臨床應(yīng)用方面還是在抗蛋白吸附理論體系方面，均有較高價值。

傳統(tǒng)的實驗表征方法難以精確闡述材料抗蛋白質(zhì)吸附的機制[12-13]。本文以分子動力學(xué)模擬[14]為手段構(gòu)建了多個抗蛋白吸附模型，研究多種蛋白質(zhì)在Ti3C2TxMXene 納米片表面的構(gòu)象變化，探究Ti3C2TxMXene對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，由此最大限度地發(fā)掘Ti3C2Tx中MXene 在生物領(lǐng)域的潛能。

1 實驗部分

1.1 原料與設(shè)備

原料及試劑：聚偏氟乙烯粉末（PVDF），工業(yè)品（6015），比利時Solvay 公司產(chǎn)品；N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、聚乙二醇（PEG，6 000），均為分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；氟化鋰，分析純，天津市希恩思生化科技有限公司產(chǎn)品；濃鹽酸，分析純，天津市永飛化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；Ti3AlC2，325 目，純度98%，北京福斯曼科技有限公司產(chǎn)品。

設(shè)備：DZF-6020 型真空烘箱，上海申賢恒溫設(shè)備公司產(chǎn)品；WE-2 型數(shù)顯水浴恒溫振蕩器，中國歐諾儀器儀表有限公司產(chǎn)品；HJ-3 型磁力攪拌器，金壇市友聯(lián)儀器公司產(chǎn)品；KQ-100E 型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司產(chǎn)品；SHZ-D（Ⅲ）型循環(huán)水真空泵，上海邦西儀器科技有限公司產(chǎn)品；ALPHA1-2 型冷凍干燥機，德國Christ 公司產(chǎn)品；TU-1901 型紫外-可見光分光光度計，北京普析儀器有限公司產(chǎn)品。

1.2 蛋白吸附模型的構(gòu)建

本文采用GROMACS 4.6.7 軟件[15-16]構(gòu)建蛋白吸附模型。將蛋白質(zhì)分子（溶菌酶、β2微球蛋白（β2-MG）、牛血清蛋白（BSA）和人血清蛋白（HSA））放置在Ti3C2TxMXene 表面后，再往模擬體系中填充水分子和對應(yīng)的相反電荷離子以確保整個體系的電中性，并在3 個方向施加周期性邊界條件（PBC），以研究蛋白質(zhì)分子在Ti3C2TxMXene 表面的構(gòu)象變化。Ti3C2TxMXene 采用通用力場[17]，并由密度泛函理論得到每個原子的電荷，蛋白質(zhì)的力場數(shù)據(jù)取自GROMACS 的全原子力場。

模型構(gòu)建完成后，首先進行1 000 步的能量最小化，采用steep 算法，步長為5 fs。完成后，進行100 ns宏觀正則系綜（NVT）的模擬，溫度由Verscal 恒溫器保持，短程和長程相互作用的截斷距離均為0.8 nm，每進行10 步就更新一次[18]。原子之間的靜電相互作用由Particle-Mesh Ewald（PME）算法計算[19]?？紤]現(xiàn)實中Ti3C2TxMXene 是堅硬的固體，所以在模擬環(huán)境中Ti3C2TxMXene 被凍結(jié)住。在NVT 模擬的最后90 ns 進行數(shù)據(jù)收集與分析。

1.3 膜的制備

（1）PVDF 膜的制備：先將14 g 聚偏氟乙烯（PVDF）粉末、10 g 聚乙二醇（PEG，6 000）倒進三口圓底燒瓶中，再將76 g N，N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液倒入該三口圓底燒瓶中，在60 ℃下密封攪拌8 h，然后將其放入60 ℃的真空烘箱內(nèi)，進行真空靜置脫泡。脫泡完成后，將鑄膜液快速而均勻地傾倒在干凈的玻璃板上，使用200 μm 的刮刀推動鑄膜液移動，待上述過程完成后將玻璃板迅速且平坦地浸入去離子水中，使其成膜。將制備的PVDF 膜轉(zhuǎn)移到裝有去離子水的盆中浸泡。將純PVDF 膜記為MP膜。

（2）Ti3C2O2MXene 的制備：將1 g LiF 粉末分批緩慢加入到裝有20 mL 9 mol/L HCl 溶液的離心管里，并攪拌3～5 min 后得到刻蝕液；再將1 g Ti3AlC2分批緩慢地添加到上述溶液里，在35°C 密封條件下攪拌24 h；攪拌完成后，用去離子水洗滌所得產(chǎn)物，在3 500 r/min下離心數(shù)次，直到上清液的pH 值大于6，并且獲得粘土狀沉淀物；最后將沉淀物分散在去離子水中，超聲處理4 h 使Ti3C2O2MXene 分層。將獲得的產(chǎn)物進行凍干，用于膜的制備[20]。

（3）Ti3C2O2MXene/PVDF 膜的制備：將24 mg Ti3C2O2MXene 溶入30 mL 去離子水，經(jīng)過10 min 的超聲后，通過真空輔助抽濾的方法將Ti3C2O2MXene 轉(zhuǎn)移到PVDF 膜上，記為MM1。重復(fù)上述操作n 次可得到多層復(fù)合膜，記為MMn。

1.4 蛋白質(zhì)的吸附實驗

將BSA 作為吸附目標(biāo)，通過蛋白的靜態(tài)吸附實驗分析Ti3C2O2MXene 的抗污染能力。將制備好的膜剪成1.5 cm×1.5 cm 的小方片，將其正面向上放置于0.04 g/L BSA 溶液中，設(shè)定吸附溫度25 ℃，轉(zhuǎn)速60 r/min，吸附時間24 h，以確保膜和蛋白質(zhì)之間達(dá)到飽和吸附狀態(tài)。通過對BSA 溶液進行紫外分光光度計測量，得到吸附前后BSA 的濃度變化，從而計算吸附量。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ti3C2O2 MXene 的靜態(tài)吸附實驗分析

圖1 所示為Ti3C2O2MXene 的BSA 吸附量。

圖1 BSA 的吸附量Fig.1 Adsorption capacity of BSA

由圖1 可知，純PVDF 膜對BSA 的吸附量為65 μg/cm2，而沉積了一層Ti3C2O2MXene 的PVDF 膜表面對BSA 的吸附量較純PVDF 膜有所下降（45 μg/cm2），這表明Ti3C2O2MXene 有抗蛋白吸附的能力。隨著沉積的Ti3C2O2MXene 量增加，BSA 的吸附量逐漸下降。這是由于純PVDF 膜表面較為疏水，會導(dǎo)致蛋白質(zhì)的大量吸附[21]。由于傳統(tǒng)的實驗方法無法解釋Ti3C2O2MXene 的抗蛋白吸附機理，因而需要借助分子模擬的手段進行深入探究。

2.2 均方根位移和均方根波動分析

圖2 為4 種蛋白質(zhì)在5 種Ti3C2TxMXene 表面的均方根位移（RMSD）數(shù)值。

圖2 蛋白質(zhì)在Ti3C2Tx MXene 表面的均方根位移Fig.2 RMSD of proteins on surface of Ti3C2Tx MXenes

由圖2 可知，4 種蛋白質(zhì)的均方根位移（0.13、0.16、0.27 和0.35 nm）與質(zhì)量（β2-MG 為11 kDa、溶菌酶為14 kDa、BSA 為66 kDa 和HSA 為67 kDa）成正比。位移越大，形變越大。在Ti3C2O2MXene 表面的蛋白質(zhì)均方根位移值大于在Ti3C2（COOH）2MXene、Ti3C2（OH）2MXene 表面的蛋白質(zhì)均方根位移值，說明材料親水性越好，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化越小。Ti3C2（COOH）（OH）3MXene 表面的蛋白質(zhì)均方根位移與Ti3C2O2MXene 表面的蛋白質(zhì)均方根位移相當(dāng)，可能是由于羥基和羧基之間的競爭效應(yīng)導(dǎo)致親水性下降，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化變大。總的來看，蛋白質(zhì)在水中的均方根位移與在Ti3C2TxMXene 表面的均方根位移相比變化不大，表明Ti3C2TxMXene 對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)影響很小。

圖3 為4 種蛋白質(zhì)在5 種Ti3C2TxMXene 表面的均方根波動（RMSF）數(shù)值。

圖3 蛋白質(zhì)在Ti3C2Tx MXene 表面的均方根波動值Fig.3 RMSF of proteins on surface of Ti3C2Tx MXenes

由圖3 可知，均方根波動越小，原子的自由程度越小，說明Ti3C2TxMXene 親水性越好，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)受到的影響越小。此外，蛋白質(zhì)中的原子在Ti3C2TxMXene 表面的波動幅度和其在水溶液中的波動幅度近似相等，原因是Ti3C2TxMXene 改變了蛋白質(zhì)周圍的水化層結(jié)構(gòu)，從而減小了蛋白質(zhì)的骨架結(jié)構(gòu)變化[22]。

2.3 回旋半徑和偶極矩分析

回旋半徑是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)密實度的表征，通常用來定量地反映蛋白質(zhì)的整體尺寸變化。圖4 為4 種蛋白質(zhì)在5 種Ti3C2TxMXene 表面的回旋半徑數(shù)值。

圖4 蛋白質(zhì)在Ti3C2Tx MXene 表面的回旋半徑Fig.4 Radius of gyration of four proteins on surface of Ti3C2Tx MXene

由圖4 可知，與水環(huán)境中的蛋白質(zhì)回旋半徑相比，Ti3C2TxMXene 表面的蛋白質(zhì)回旋半徑均略微增加0.1 nm 左右，而蛋白質(zhì)的骨架結(jié)構(gòu)基本保持不變（即均方根位移值沒有發(fā)生較大的變化），表明蛋白質(zhì)回旋半徑的輕微改變并不影響蛋白質(zhì)整體結(jié)構(gòu)的完整性。

偶極矩可以作為表征了解蛋白質(zhì)構(gòu)象變化的標(biāo)準(zhǔn)。圖5 為4 種蛋白質(zhì)在5 種Ti3C2TxMXene 表面和水中的偶極矩數(shù)值。

圖5 蛋白質(zhì)在Ti3C2Tx MXene 表面的偶極矩Fig.5 Dipoles moment of proteins on surface of Ti3C2Tx MXenes

結(jié)合圖5 和圖3 可以看出，在Ti3C2TxMXene 表面的蛋白質(zhì)偶極矩比在水溶液中的蛋白質(zhì)偶極矩略大，原因之一在于Ti3C2TxMXene 的電荷與氨基酸之間的靜電相互作用，使蛋白質(zhì)內(nèi)部的偶極矩變大。因此，在Ti3C2TxMXene 表面的蛋白質(zhì)優(yōu)勢取向更明顯。

2.4 Ti3C2Tx MXene 的抗蛋白質(zhì)吸附機理

選取Ti3C2O2MXene 和BSA 作為典型體系，研究Ti3C2O2MXene 的抗蛋白質(zhì)吸附機理。圖6 所示為BSA和Ti3C2TxMXene 之間的質(zhì)心距離隨時間變化的情況。

圖6 模擬過程中BSA 與Ti3C2O2 MXene 的質(zhì)心距離Fig.6 Centroid distance between BSA and Ti3C2O2MXene during simulation

由圖6 可以看出，Ti3C2O2MXene 與BSA 的距離一直維持在3.5 nm 左右。由于蛋白質(zhì)本身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和BSA 與Ti3C2O2MXene 之間的靜電相互作用，導(dǎo)致它們之間的相互作用微弱。

圖7 為Ti3C2O2MXene 表面的水化層圖。為探究水和Ti3C2O2MXene 間的關(guān)系，將水分子和Ti3C2O2MXene放置于同一模擬空間。

圖7 Ti3C2O2MXene 表面的水化層Fig.7 Hydration layer on Ti3C2O2MXene surface

由圖7 可知，在Ti3C2O2MXene 表面形成了水層，原因是良好親水性使得Ti3C2O2MXene 在水中有較大的載留面積和靈活的水分子調(diào)動能力，最終在表面形成了緊密的水層，阻止了蛋白質(zhì)的靠近。此外，形成的水化層還弱化了Ti3C2O2MXene 與蛋白質(zhì)的靜電作用，導(dǎo)致其對蛋白質(zhì)吸附能力的下降。由此可知，分子動力學(xué)模擬直觀地解析了原子水平上的細(xì)節(jié)，即Ti3C2O2MXene 通過水化層的空間位阻效應(yīng)減少了對蛋白質(zhì)的吸附。

3 結(jié)論

采用分子動力學(xué)模擬的方法以蛋白質(zhì)在水相里的動力學(xué)行為作為參考系，研究了Ti3C2O2、Ti3C2（COOH）（OH）3、Ti3C2（NH2）2、Ti3C2（COOH）2和Ti3C2（OH）2MXene 對水中的β2微球蛋白、人血清蛋白、牛血清蛋白和溶菌酶4 種蛋白質(zhì)構(gòu)象的影響。研究結(jié)果表明：

（1）蛋白質(zhì)在Ti3C2TxMXene 的表面能保留天然構(gòu)象。其中，Ti3C2（OH）2MXene 和Ti3C2（COOH）2MXene因其優(yōu)異的親水性，對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響最小。

（2）Ti3C2TxMXene 具有顯著的抗蛋白吸附特性。

（3）分子動力學(xué)模擬為抗蛋白吸附實驗的結(jié)果提供了最根本的解釋，即Ti3C2TxMXene 會吸引水分子在表面形成水化層，從而阻止蛋白質(zhì)接近其表面，減少了吸附量。