一种亲水聚合刷涂层抗粘附效果的定量表征方法

本发明涉及分子动力学模拟，涉及一种亲水聚合刷涂层抗粘附效果的定量表征方法，具体涉及一种基于分子动力学模拟的定量表征亲水聚合刷涂层抗粘白粘附效果的方法。

背景技术：

1、这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

2、植入/介入医疗器械表面发生的非特异性粘附会产生一系列不利的影响，导致器械性能降低甚至失效。例如，血液中的蛋白质与凝血因子在医疗器械表面的粘附与激活会引发凝血级联反应，导致血栓的形成，进而引发静脉血流阻塞、血栓性静脉炎和栓塞等。用于疾病诊断的生物传感器在体液环境中受蛋白质非特异性粘附的影响存在严重的诊断干扰，如假阳性，降低信噪比，以及损害特定的识别/反应。另外船舶、水下航行器、海上平台等同植入/介入医疗器械、生物传感器一样面临着蛋白非特性粘附问题，这对其功能提升产生重大影响，成为抑制其应用效果的重要因素。

3、目前已经开发出一系列方法来应对表面污损问题。具有表面微纳结构的超疏水表面能捕获空气形成屏障，显著降低表面与液体的的接触面积，从而抑制蛋白质的粘附。不过，液压、声压、热场和表面能变化对超疏水表面的长效性提出挑战，限制了超疏水表面的应用。一种升级的策略是利用微纳结构锁定润滑油而不是空气来形成液体灌注的憎液表面，该稳定的憎液表面能显著抵抗蛋白质的粘附。但复杂微/纳结构的制备难度高，和中间液体流失导致的液体灌注表面失效问题限制了它的应用。还有一种不需要表面微/纳结构，只需要在表面接枝抗蛋白粘附的聚合刷涂层，如聚乙二醇，两性离子材料和多肽等亲水聚合刷涂层。

4、聚合刷涂层因其在抗污表面改性领域的重要的应用前景而越来越受关注，通过聚合刷涂层来解决表面污损问题被认为前景巨大。常见的聚合刷涂层材料包括聚乙二醇材料，两性离子材料，和多肽等亲水聚合物。通常人们认为这些亲水聚合物能通过氢键或者静电相互作用吸引水分子形成水合层。该水合层内的水分子被牢固的束缚在表面，能抵抗承受较大的压力，从而可以作为抵抗蛋白质吸附的强大物理和能量屏障。

5、目前已经有一些研究表面接枝亲水聚合刷涂层能够显著降低蛋白质的粘附。但这些研究基本都停留在科学研究领域，聚合刷涂层在实际工程中还没有得到大规模应用。这主要是由于蛋白质的粘附是复杂的动态过程，并且受到环境温度，盐溶液价态与离子强度等因素的影响。而目前实验方法还难以准确的表征亲水聚合刷涂层与蛋白质的相互作用关系，以及揭示水分子、盐离子等溶液分子对蛋白粘附的影响规律。

6、分子动力学模拟方法(md)是一种基于经典力学原理的计算方法，可以模拟原子或分子在给定势能场中的运动。这种方法能够提供对材料微观结构和动态行为的深入理解，从而在材料科学研究中发挥着重要作用。总之，分子动力学模拟作为一种强大的计算工具在材料科学研究中的应用将越来越广泛，为材料科学的发展提供更加强大的支持。基于分子动学模拟探究聚合刷涂层的抗蛋白粘附性能，指导聚合刷涂层的开发设计也受到了广泛关注。理论上通过分子动力学模拟可以快速探明涂层材料、结构(接枝密度、涂层厚度、涂层构象等)对聚合刷涂层抗蛋白粘附性能的影响规律。通过分子动力学模拟可以深入了解聚合刷涂层-水和聚合刷涂层-蛋白质界面的结构、动力学和相互作用特性，从分子水平理解聚合刷涂层结构与抗蛋白粘附性性能的关系。然而蛋白质的粘附是一个复杂过程，包括蛋白质突破亲水聚合物表面水合层的屏障靠近聚合刷涂层表面,并且蛋白质在与聚合刷涂层相互作用中发生不可逆的变形从而产生蛋白的粘附。另外，蛋白的粘附还是一个动态过程，蛋白质在亲水聚合刷涂层表面还受到溶剂化力的影响，有脱离聚合刷涂层表面的趋势发生。但目前通过分子动学模拟还仅能实现聚合物链与蛋白质的结合能以及结合概率等简单的相互作用研究，难以形成基于分子动力学模拟的聚合刷涂层抗蛋白质粘附的定量表征。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种亲水聚合刷涂层抗粘附效果的定量表征方法，涵盖蛋白质靠近聚合刷涂层的难易程度，蛋白质与聚合刷涂层表面的相互影响关系以及蛋白质动态脱离过程，解决现有分子动力学模拟技术中难以实现亲水聚合刷涂层表面抗蛋白粘附性效果的定量表征，从而指导聚合刷涂层的材料选择结构设计，实现抗蛋白粘附聚合刷涂层的按需制备。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、一种亲水聚合刷涂层抗粘附效果的定量表征方法，包括如下步骤：进行聚合刷涂层模型的构建；

4、对聚合刷涂层模型进行设置，设置参数包括计算体系的边界条件、环境温度、势函数选取、能量最小化、弛豫平衡和输出参数；

5、采用md方法基于经典牛顿力学模拟计算体系内原子的运动与分布，记录每个模拟时刻下的各原子位置与速度信息，直至获取长时间模拟的原子轨迹信息；

6、根据计算获取的原子速度与位置信息，分析获取对象体系的热力学参数，包括聚合刷涂层抵抗蛋白粘附性的斥力、聚合刷涂层与蛋白质的相互作用以及聚合刷涂层表面蛋白质的变形程度。

7、在一些实施例中，进行聚合刷涂层模型的构建时，通过materials studio软件绘制聚合刷涂层材料的分子模型，并进行结构优化；获取聚合刷涂层材料的charmm力场势能参数(通过charmm gui网站(https://charmm-gui.org/)获取)，通过vmd软件进行聚合刷涂层模型的构建，并进行溶剂化处理。

8、优选的，所述聚合刷涂层模型的基底为硅基底，聚合物链的一端固定在硅基底上，聚合物链垂直于硅基底排布。

9、进一步优选的，聚合物链的长度可控，以模拟聚合物刷涂层的厚度对抗蛋白粘附性的影响。

10、进一步优选的，聚合物链之间的间距可控，以模拟聚合物刷涂层接枝密度对抗蛋白粘附性的影响。

11、进一步优选的，聚合物的材质选自聚乙二醇、磷酸胆碱、羧基甜菜碱、磷酸胆碱或聚肽。聚合物的材质可控，以探究不同刷涂层材料的抗蛋白粘附性能。

12、进一步优选的，所述溶剂化处理为在聚合刷涂层所处溶液环境中加入不同价态和不同浓度的离子。

13、更进一步优选的，所述离子为氯离子、钠离子、钙离子、镁离子或硫酸根离子。通过对聚合刷涂层进行溶剂化处理，以探究不同价态与不同离子强度的溶液环境对聚合刷涂层抗蛋白粘附性的影响。

14、在一些实施例中，对聚合刷涂层模型进行设置时，模拟体系的x、y、z三个边界均设置为周期性边界，短程lennard-jones相互作用的截止距离设为时间步长为2fs；能量最小化进行50000步以消除不良接触，降低体系能量；弛豫时间不低于2ns。

15、在一些实施例中，环境温度根据应用场景进行选择。以探究不同环境温度对聚合刷涂层抗蛋白粘附性的影响。

16、在一些实施例中，采用md方法进行模拟计算时，分为三个阶段，其中：第一阶段为将蛋白质固定在聚合刷涂层表面设定距离，然后拉动蛋白质靠近聚合刷涂层表面，直至蛋白质质心与聚合刷涂层表面重合，获取聚合刷涂层、蛋白质和溶剂的位置信息；

17、第二阶段为在第一阶段完成的基础上，释放蛋白质，使蛋白质在以不加约束的状态进行模拟，探究聚合刷涂层与蛋白质的相互作用；

18、第三阶段为在第一阶段完成的基础上，对蛋白质施加拉力，使蛋白质以设定速度远离聚合刷涂层表面，直至充分远离。

19、优选的，拉动蛋白质靠近聚合刷涂层表面的速度为0.01m/s-0.5m/s。

20、优选的，拉动蛋白质远离聚合刷涂层表面的速度为0.01m/s-0.5m/s。

21、优选的，所述充分远离为蛋白质与聚合刷涂层表面的距离达到3nm。

22、优选的，对第一阶段模拟数据进行提取分析时，分析蛋白质靠近聚合刷涂层表面过程中受到的总斥力、聚合刷涂层对蛋白质的作用力和溶液对蛋白质的力。

23、优选的，对第二阶段模拟数据进行提取分析时，分析蛋白质在聚合刷涂层表面受到的聚合刷涂层的力和溶液的力。

24、优选的，对第三阶段模拟数据进行提取分析时，分析蛋白质远离蛋白质过程中受到的总斥力、聚合刷涂层对蛋白质的力以及溶液对蛋白质的力。

25、上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：

26、本发明提供的基于分子动力学模拟的定量表征亲水聚合刷涂层抗粘白粘附效果的方法可以充分模拟蛋白质在聚合刷涂层表面的动态粘附过程，包括蛋白质靠近，变形以及脱离等整个过程。并且评价聚合刷涂层抗蛋白粘附性的手段是通过蛋白质在动态粘附过程中的受力情况确定。因此聚合刷涂层抗蛋白粘附性能可量化、可对比，从而能便捷的指导聚合刷涂层材料选择与结构设计，并考虑溶液环境以及环境温度等应用特征，指导具有工程应用价值的聚合刷涂层的设计制备与应用。