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为了研发新的抗生物污渍材料，来自斯坦福大学的学者创建了一个聚丙烯酰胺基共聚物水凝胶的组合库，并在高通量平行测定中筛选了它们防止血清和富血小板血浆结垢的能力。本文发现某些非直观的共聚物组合物比目前的金标准材料具有优异的抗生物污染特性，并采用机器学习来识别支撑其性能的关键分子特征。为了进行验证，本文用水凝胶去涂覆电化学生物传感器的表面，并评估了它们在啮齿动物模型中的体外和体内的抗生物污染性能。本文的共聚物水凝胶保留了设备功能，并且能够比金标准涂层更好地在体内连续测量小分子药物。本文提出的新方法能够发现抗生物污损材料，这些材料可以延长实时体内传感设备的使用寿命。相关文章以“Combinatorial Polyacrylamide Hydrogels for Preventing Biofouling on Implantable Biosensors”标题发表在Advanced Materials。 论文链接： https://onlinelibrary./doi/10.1002/adma.202109764
图1.作为防生物污损装置涂层的聚丙烯酰胺水凝胶。a）.在基质上涂覆抗生物污垢水凝胶可以减少血小板的黏附和聚集。b).用于组合水凝胶合成的单体：丙烯酰胺(A)、二甲基丙烯酰胺(B)、二乙基丙烯酰胺(C)、(3-甲氧基丙基)丙烯酰胺(D)、羟甲基丙烯酰胺(E)、羟乙基丙烯酰胺(F)、[三(羟甲基)甲基]丙烯酰胺(G)、丙烯酰吗啉(H)、(丙烯酰胺丙基)三甲基铵(I)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(J)、N-异丙基丙烯酰胺(K)、聚甲基丙烯酸乙二醇酯(L)、2-甲基丙烯酰氧乙基磷脂(M)、[2（甲基丙烯酰氧基）乙基]二甲基（3-磺丙基）铵(N)、。甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA；o)。
图2.抗生物污垢的丙烯酰胺基共聚物组合的鉴定。a).水凝胶样品首先在50%胎牛血清中37°C孵育24小时，以确保蛋白质在样品上的广泛吸附。从大鼠血液中分离得到的富含血小板血浆(PRP)在水凝胶表面37℃孵育1小时，几种聚丙烯酰胺共聚物水凝胶的血小板粘附性明显低于聚乙二醇组、PHEMA组和聚两性离子水凝胶对照组。b).每个共聚水凝胶获得的血小板计数分布的标准误差与平均值。c).共聚物水凝胶样品上血小板粘附率中值的热图，按水凝胶配方中各单体的重量比(100/0、25/75、50/50、75/25)排序。
图3.使用训练的随机森林模型评估单体的特征相关性。a).根据原始的血小板粘附性数据进行单体特定类别的浓缩，表明单个单体对抗生物污染性能的贡献。b).用特征集B评估的描述符值的准确度平均下降(MDA)，汇总了所有单体中特征的重要性。c).具有最好的抗生物污垢性能(F50-C50)的共聚水凝胶中单体的总体丙二醛的最高值。
图4.电化学设备的水凝胶保护比涂有聚乙二醇膜的设备延长了使用寿命和提升了信号质量。a).基于亲和力的电化学传感器可用于检测亚铁氰化物物种(FeCN6)4-的氧化。b).体外实验，观察设备表面的血液污垢。c).在探针上覆盖一层可见的水凝胶层，以减轻生物污垢。d).循环电极在亚铁氰化物的氧化和还原电位之间循环，从而得到循环伏安曲线。e).体外检测装置。试管被倒置，以确保探针完全浸入血液中。
图5.DNA适配子生物传感器的F50-C50水凝胶涂层可在体内连续实时监测卡那霉素。a).将与卡那霉素高度特异结合的DNA适配子功能化到Au探针的顶端。b).通过导管将探头插入大鼠股静脉。另一侧股静脉注入卡那霉素。c).卡那霉素的信号响应应表现出快速的动力学和剂量依赖性。d).适配子探针设备的图像。e).通过对侧股静脉注射不同浓度的卡那霉素后，实时体内检测卡那霉素的代表性图表。 本文证明，与黄金标准材料相比，某些共聚物配方可以提供比均聚物更好的抗生物污垢性能。考虑到这些以聚丙烯酰胺为基础的共聚材料的成功，以类似的方式去评估由聚乙二醇和两性离子聚合物组成的共聚水凝胶的抗生物污垢性能将是很重要的方法。这些观察结果突出了将化学设计直觉与高通量筛选方法结合起来发现新材料的价值。 本文已经使用简单的合成方法证明了这些新的水凝胶涂层在电极表面的适用性，这些方法适合可扩展的制造，尽管未来必须进行更多研究以优化这些水凝胶与设备表面的粘合强度，以便更长期的生物医学使用并提高水凝胶材料的耐用性。随着进一步的改进，本文相信使用丙烯酰胺单体组合的这种策略可能会使抗生物污垢材料的发现成为可能，使生物传感器设备能够长期植入，以持续监测慢性生物医学的情况。（文：SSC） |
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