理想的生物医学植入材料应具备能力积极整合周围组织和细胞、出发细胞响应和信号、维持组织和器官功能、甚至可以对抗敌对的微生物病菌等。表面生物功能化则代表一个最简单的方法可赋予生物材料这种功能和活力。通过物理吸附或化学偶联生物功能分子是表面功能化的典型方法。在一定程度上可以使生物惰性材料具备调节细胞-材料间的相互作用、诱导特定的细胞行为一级产生相关的生物学效应的功能。然而，物理吸附方式分子泄露严重，难以保持长期的生物活性；化学共价方式则更稳定，但受制于繁琐的反应和复杂的表面处理技术。2007年，Lee等人开发出一种新的表面功能化方式，灵感来自海洋贻贝生物。其分子机制来源于贻贝足蛋白(Mfps)，其中的DOPA氨基酸(3,4-二羟基- l -苯丙氨酸)重复单元具有多重邻苯二酚侧基，可产生共价和非共价的共介导的分子粘附。Lee利用同样含有邻苯二酚的多巴胺分子，实现了在潮湿条件下，对几乎所有基底表面的稳定分子粘附。而且，通过基于氨基或巯基的麦克加成和席夫碱反应，实现了多样化表面生物功能化。尽管多巴胺策略可以为表面生物功能化提供一种通用的策略，但是通过麦克加成和席夫碱引入生物功能的第二步反应必然消耗生物分子中的氨基和巯基，降低了生物分子的活性。而且，这类反应的特异性和效率都很低，影响了重复性和可控性（如反应基团和分子取向的随机性）。由此可见，目前贻贝分子粘附机制作为一种非常有潜力的表面生物改性策略仍需改进。
Scheme 1. The molecular binding mechanisms of mussel-inspired peptide adhesion and bioorthogonal molecular conjugation for surface bioengineering.
近来，材料科学与工程学院杨志禄研究员与江苏大学潘国庆研究员合作，将生物正交点击反应（即，DBCO-Azide环加成）的特异性、快速性、彻底性和生物相容性与贻贝足蛋白分子的粘附机制相结合，设计合成出具有邻苯二酚侧基和叠氮端基的多肽模拟物(DOPA)4-Azide（Scheme 1）。基于贻贝足蛋白的分子粘附机制，(DOPA)4-Azide可以稳定结合在金属、无机以及有机聚合物材料表面，得到叠氮化的表面。作者合成了几种典型的DOCO修饰的生物分子，它们具有调节细胞-材料相互作用以及诱导特定生物效应的能力。通过(DOPA)4-Azide的叠氮化，成功地实现多种典型的生物功能化，如抗污、 抗菌和抗血栓能力（Figure 1）。这一研究证明了基于生物正交点击化学和贻贝黏附肽模拟的表面生物工程策略在基质材料和预期功能两方面都有广泛的适用性。由于DOCO的分子修饰技术非常成熟，作者预期基于生物正交点击化学的“清洁”分子修饰和贻贝灵感的通用性表面粘附机制可能协同提供一种广泛用于的生物医学材料表面功能化的通用策略。
相关研究成果以“A Versatile Surface Bioengineering Strategy Based on Mussel-Inspired and Bioclickable Peptide Mimic”发表于国际著名期刊《Research》，该期刊是国际顶刊《Science》自1880年创建以来的第一本高水平合作期刊。杨志禄研究员和江苏大学潘国庆研究员为共同通讯作者，硕士研究生肖雨为论文的第一作者。西南交通大学材料科学与工程学院为本论文的第一单位。该研究得到了国家重点研发计划及国家自然科学基金等支持。
（论文链接：https://spj.sciencemag.org/research/2020/7236946/）
Figure 1. a) Structural formula of the bio-clickable mussel-inspired peptide mimic DOPA4-Azide and PEGylated antifouling TiO2 surface. b) a) Structural formula of the DBCO-modified antibacterial peptide and fabrication of an antibacterial PVC surface. c) Structural formula of the DBCO-modified cyclen DBCO-DOTA with the ability to chelate Cu(II) and the fabrication of antithrombogenic surface on 316L SS substrate.
杨志禄研究员简介：
研究员，博士生导师，四川省级部人才称号获得者以及后备人选，西南交通大学“扬华学者”。目前，担任KeAi旗下国际期刊Smart Materials in Medicine主编、Engineered Regeneration编委、Bioactive Materials及Medical Gas Research客座主编。主要研究方向聚焦冠脉血管动脉粥样硬化斑块的病理发生机制、以及针对性用于冠脉/外周血管疾病治疗的纳米靶向药物、药物球囊及具有病灶治愈和血管组织修复功能的血管支架研究；以第一/通讯作者在PNAS，Research（2篇），Chemistry of Materials，Biomaterials（9篇）等国际知名期刊共发表SCI论文40余篇（其中IF>10的论文10篇，IF=8-10的论文7篇）。国际/国内会议大会报告、邀请报告10余次。获得授权发明专利14项（包括美国发明专利1项），其中发展的具有自主知识产权的“具有病灶治愈和血管组织修复功能的可降解支架涂层”技术已成功实现转让（转让费：1500万）。