曾宏波院士新成果！亞微米光學顯微紅外助力仿生工程蛋白涂層抗生物污染研究

植入式醫療器械（IMD）已廣泛應用于診斷、治療、器官修復等生物醫學領域。但是，科學家和醫療工作者發現植入式醫療設備在長期使用過程中，蛋白質、酶和代謝物等物質會不可逆地附著在其工作表面，逐步破壞IMD的電化學和生物學特性，導致植入設備的故障及患者的嚴重感染。目前，在植入式醫療器械設備表面構建防污涂層被認為是解決該問題直接且有效的方法。

      近期，曾宏波院士團隊受 “藤蔓刺"結構的啟發，將BSA@PSBMA涂層涂覆在IMD表面，并通過超高分辨的非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統—mIRage對其表面生物污垢（例如生物流體中的蛋白、酶、代謝物等）的吸附情況進行測量觀察，以驗證BSA@PSBMA涂層的防生物污染效果。文章以《Bionic engineered protein coating boosting anti-biofouling in complex biological fluid》為題，發表在 Advanced Materials上^[1]。

非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統—mIRage是基于光學光熱紅外光譜(O-PTIR)技術，采用非接觸式測量模式，將可見光與紅外光耦合實現紅外光譜的采集，如圖1.b所示。作者利用500 nm超高空間分辨率mIRage系統，根據其紅外特征峰精確定位污垢，對牛奶、脂質、CHO細胞和牛血清中的污染情況進行單波長顯微紅外化學成像，并進行了橫向對比。圖1.c表明，除了天然BSA涂層表面粘附較少脂質外,所有底物表面都附著了大量的污垢，而所有生物流體中BSA@PSBMA-涂層表面的污垢幾乎為零。隨后，作者將生物污垢在裸露的基質表面上的平均覆蓋率進行了量化，如圖1.d所示。結果表明，BSA@PSBMA涂層表面的生物污垢顯著減少，有效驗證了BSA@PSBMA具備優異的防生物污垢性能。

圖1. 大塊污垢實驗過程中涂層的防污性能

      非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統—mIRage是由美國PSC公司研發的，采用特殊的光熱誘導共振（PTIR）技術，突破了傳統紅外的光學衍射極限，其空間分辨率可達亞微米級，可以幫助科研人員更全面地了解亞微米尺度下樣品表面微小區域的化學信息。

mIRage設備優勢：

顯微紅外空間分辨率高達500 nm；

使用可見光作為光學感應探測信號，不接觸樣品，對樣品無任何交叉污染風險；

非接觸式測量模式，避免了生物細胞樣品的損傷風險；

對樣品制備無特殊要求，可測試粉末/薄膜/粘性/粗糙/纖維/軟物質/液相樣品；

實時實現紅外和拉曼光譜同時同位點相同分辨率的測量，提供可相互印證的光譜信息。

紅外和熒光功能聯用，實現熒光定位和紅外成分分析的互補表征。

圖2. 光學光熱紅外光譜技術原理

      mIRage系統為生物學中復雜樣品中的蛋白質和細胞組分進行紅外光譜分析提供了新的測量方法，為顯微紅外在生物領域的應用提供了更加便捷的表征途徑。

圖3. mIRage、mIRage*-R、mIRage*-LS設備圖

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參考文獻

[1]. Ziqian Zhao, Mingfei Pan, Chenyu Qiao, Li Xiang, Xiong Liu, Wenshuai Yang, Xing-Zhen Chen, Hongbo Zeng. Bionic engineered protein coating boosting anti-biofouling in complex biological fluids, Advanced Materials（2022）.

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