《Environmental Research》：Molecular Dynamics Study of Protein Adsorption on Zwitterionic and Imidazolium Salt Modified Antifouling Polyurethane Membranes
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陈龙毅|秦从文|张庚辰|刘学|钟伟|纳斯林·内马蒂|邵江江苏省科技大学机械工程学院，镇江市212100，中国摘要船舶船体上不希望出现的海洋生物附着和累积现象对海上航行构成了重大挑战。随着有机锡基防污剂的禁用，对环境可持续的防污材料的需求日益增加。近年来，含有两性离子基团或咪唑基官
陈龙毅|秦从文|张庚辰|刘学|钟伟|纳斯林·内马蒂|邵江
江苏省科技大学机械工程学院，镇江市212100，中国
摘要
船舶船体上不希望出现的海洋生物附着和累积现象对海上航行构成了重大挑战。随着有机锡基防污剂的禁用，对环境可持续的防污材料的需求日益增加。近年来，含有两性离子基团或咪唑基官能团的聚合物涂层因其出色的抗生物污染性能而成为有前景的选择。然而，控制这些系统的分子级相互作用和防污机制仍不够清楚。在这项工作中，我们利用分子动力学（MD）模拟系统地阐明了三种代表性膜的防污机制：未经改性的聚氨酯（PUR）、含有两性离子基团的聚氨酯（PUZ）以及同时含有两性离子基团和咪唑基团的聚氨酯（PUB）。通过对蛋白质构象扰动、吸附行为、界面水合能力和表面静电特性的广泛分析，揭示了控制防污性能的分子级机制。PUZ形成了密集的氢键（HBond）水合层，而PUB则显示出更加有序且局部的界面水结构，结合强烈的静电排斥力和异质表面电位，有效抑制了蛋白质的吸附和多点锚定。因此，PUB表现出最弱的蛋白质吸附能力（-52.95 kJ·mol-1）和最佳的防污性能。这些发现为水合介导的防污机制提供了分子层面的见解，并突显了MD模拟在揭示结构-性能关系方面的关键作用，同时为可持续聚合物防污材料的合理设计提供了指导。
引言
生物污染是指微生物、藻类、软体动物和其他生物附着在船舶表面、在其上生长并失控繁殖的现象[1]、[2]、[3]。船舶船体和水下结构上的生物污染累积增加了流体阻力，从而降低了燃油效率，导致更高的能源消耗和温室气体排放[4]。此外，海洋生物污染群落与海水之间的相互作用加速了金属腐蚀，损害了结构稳定性，缩短了海洋基础设施的使用寿命[5]。因此，减轻生物污染已成为航海和航运领域的重要问题。
广泛在船舶表面使用防污涂层来防止与海洋生物附着相关的有害影响[6]。传统的防污涂层历史上依赖于有机锡化合物和铜离子等有毒物质来防止生物污染。然而，由于这些物质具有严重的生态毒性和对人类健康的潜在风险，许多国家已经禁止了它们的使用[7]、[8]。因此，迫切需要既环保又高效、不依赖有毒物质的新型防污涂层。
先前关于防污涂层的研究在开发能有效抵抗生物污染的材料方面取得了显著进展。研究越来越多地集中在含有两性离子基团和咪唑盐等功能团的聚合物涂层上。这些聚合物特别有前景，因为它们能够形成稳定的水合层，有效阻碍蛋白质吸附和表面污染。例如，陈等人制备了一种两性离子聚多巴胺/聚（磺乙基甲基丙烯酸酯）（PDA/PSBMA）涂层，应用于316L不锈钢表面。结果表明，PDA/PSBMA涂层抑制了牛血清白蛋白（BSA）和海藻酸盐的吸附，并在24小时内减少了99%以上的铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和舟形藻（Navicula）的附着[9]。刘等人通过表面引发的原子转移自由基聚合（SI-ATRP）在PU基底上接长了三种类型的离子聚合物刷，结果显示这些刷显著抑制了聚氨酯的蛋白质吸附、血小板粘附和细胞粘附，从而显著提高了聚氨酯基底的防污能力，同时未损害基底的机械性能[10]。黄等人通过共聚咪唑功能化壳聚糖（IMCTS）、2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酸胆碱（MPC）和丙烯酸（AA）合成了具有抗菌和亲水性的聚合物。所得共聚物随后被接长到预先用PDA和聚乙烯亚胺（PEI）处理的PU基底上，形成了复合PDA/PEI-IMCTS-PMPC表层。这种工程聚合物涂层表现出强大的抗蛋白质吸附能力，对溶菌酶（LYS）的抑制率为85.78 ± 2.14%，对BSA的抑制率为89.30 ± 2.12%[11]。
尽管基于聚合物的防污涂层表现出出色的抗生物污染性能，但特定化学结构如何调节界面水结构和动力学的分子机制仍不够清楚。此外，虽然多因素实验方法可以产生具有理想防污性能的聚合物材料，但这些过程往往重复性强且资源密集，导致时间和成本效率低下[12]。为了克服这些限制，MD模拟提供了一种强大的方法，可以在原子水平上探究防污系统的基本相互作用和机制路径。MD模拟是一种多功能计算技术，能够以纳米级精度捕捉材料行为和界面现象的时间演变[13]。尽管其在生物医学研究（如药物输送系统和组织工程应用）中得到广泛应用[14]、[15]、[16]，但在海洋防污涂层研究中的应用仍然相对有限。目前的研究主要集中在基于膜的 water purification 和海水淡化防污策略上，对于如何利用表面相互作用来设计耐用且坚固的海洋环境涂层仍存在明显空白[17]。因此，深入探索防污行为背后的分子原理对于指导可持续和高性能聚合物涂层的合理设计至关重要。
本研究的主要目的是利用MD模拟构建一个综合建模框架，分析三种代表性的膜系统：未经改性的聚氨酯（PUR）、含有两性离子官能团的聚氨酯（PUZ）以及同时含有两性离子基团和咪唑基团的聚氨酯（PUB）。这些模型用于阐明聚合物涂层系统中的防污机制，如图1和图S1–S3所示。为了简化分析，选择了贻贝足蛋白PVFP-5B作为模型生物分子来模拟和解释界面生物污染现象。通过对蛋白质构象动态、吸附过程、界面水结构和表面电荷分布的详细研究，评估了模型涂层的防污特性。模拟结果与实验观测的比较分析表明，所提出的计算框架准确预测了基于聚合物的涂层的防污效率。从这项研究中获得的机制见解预期将为下一代环保防污聚合物材料的合理设计和开发提供理论基础。
节摘
模拟配置
根据先前研究[18]中报告的实验方案建立了三种模型的防污膜系统：PUR、PUZ和PUB。这些膜的相应结构配置在补充信息中有所示（图S1–S3）。最初构建了一个尺寸为20*20*10纳米的模拟单元格，并在其中引入了聚合物单元胞，以生成防污膜的初步配置，如图2a所示。
吸附配置
所有系统在大约40纳秒后都达到了平衡状态，这一点通过均方根偏差（RMSD）和蛋白质-膜相互作用能量的稳定得到证实（更多信息见第3.2节）。所有三种系统（PUR、PUZ和PUB）的平衡行为显示在支持信息中的图S4中。图3展示了模型蛋白质在三种聚合物防污膜（PUR、PUZ和PUB）上的初始和平衡配置。
结论
在这项研究中，我们利用MD模拟和量子计算探索了三种不同聚合物防污膜（PUR、PUZ和PUB）的防污行为背后的分子机制。结果表明，蛋白质-膜吸附倾向遵循PUR > PUZ > PUB的顺序，表明将两性离子和咪唑基团引入聚合物基质显著提高了膜的防污性能。
CRediT作者贡献声明
邵江：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、研究实施、资金获取、概念化。钟伟：撰写 – 审稿与编辑、资源管理、项目管理。纳斯林·内马蒂：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证。张庚辰：正式分析、数据整理。刘学：撰写 – 审稿与编辑、监督、软件使用、资源管理、项目管理。陈龙毅：撰写 – 原始草稿、可视化
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了
江苏省的
青岚项目、江苏省高等教育机构自然科学基金（1020241630）以及
江苏省的研究生研究与实践创新计划（SJCX25_2534）的财政支持。
