文章重要内容
近日，东华大学朱美芳院士团队膜分离研究小组在《高分子学报》上发表了关于高分子材料在蛋白质分离中的应用综述文章。随着蛋白质组学技术的迅速发展和生物技术的不断进步，对高效蛋白质分离技术的需求日益增长。该综述基于蛋白质自身的物理特性，根据高分子官能团与蛋白质之间的相互作用机理，系统地将高分子材料划分为电中性、正电、负电及电荷自调节体系，详细探讨了不同电荷体系在蛋白质分离中的应用及其优缺点。
文章背景
随着蛋白质组学和生物技术的迅猛发展，蛋白质分离技术作为基础性平台手段，其效率与选择性已成为制约生命科学研究和生物制品产业化进程的关键瓶颈。然而，传统方法如尺寸排阻色谱和离子交换色谱，在应对复杂样品处理及大规模生产时，常面临分离效率低、操作繁琐及成本高等挑战。为此，新型高分子分离材料的设计和功能化改性已成为研究热点，旨在提升蛋白质分离的效率和选择性。特别是，刺激响应性高分子材料，凭借其可根据外界环境(如温度、pH、离子强度等)动态调控自身性质，展现出可编程调控、选择性捕获和高效再生等独特优势，有望实现蛋白质的智能识别与分离，展现出广阔应用前景。
文章概述
该综述详细探讨了高分子材料在蛋白质分离领域的应用进展。根据蛋白质的物理特性和高分子官能团与蛋白间的相互作用机理，将高分子分为电中性、带正电、带负电以及电荷可调节体系(图1)，并对其在蛋白质分离中的应用进行了全面总结。
图1 蛋白质分离中常用的蛋白质和聚合物材料，包括中性高分子材料(亲水性聚乙二醇(PEG)、疏水性聚醚砜(PES))、带正电高分子(海藻酸钠和季胺基团)、带负电高分子(壳聚糖和磺酸盐基团)和电荷可调复合高分子(聚丙烯酸(PAA)和聚(4-乙烯基吡啶)(P4VP))。
文中首先讨论了中性高分子体系，这类材料本身不带有电荷，在溶液中不会因静电相互作用而显著聚集或分离，因此尺寸筛分和疏水相互作用是其主要的分离机制。例如，聚乙二醇(PEG)因其良好的水溶性和生物相容性被广泛用于减少蛋白质与材料表面的非特异性结合；聚乙烯醇(PVA)具有相似的优点，但可能存在非目标蛋白共吸附的问题；聚丙烯酰胺(PAAm)由于易制备成凝胶的特点，适用于电泳和色谱分析。此外，疏水性高分子如聚偏二氟乙烯(PVDF)通过调节介质的疏水性表面实现蛋白质的高效结合与分离。
对于带电高分子体系，带正电高分子如海藻酸钠和季铵盐基团等，能够通过静电吸附带负电荷的蛋白质，而带负电高分子如壳聚糖和磺酸盐基团则可用于分离带正电荷的蛋白质。电荷可变复合高分子体系，包括聚丙烯酸(PAA)和聚4-乙烯基吡啶(P4VP)，具备动态调节自身电荷性质的能力，能够在特定条件下实现复杂环境下不同物质的高效分离和筛选。这些材料可以通过多种方式调节其带电状态，如掺杂、化学改性、离子交换等，从而适应不同的应用需求。例如，Ye等人设计了一种新型双门控pH响应膜，通过接枝聚(甲基丙烯酸-N,N-二甲基氨基乙酯)(PDMAEMA)和P4VP链，在乙烯醇共聚物膜的表层附近和孔内，实现了对α-乳清蛋白、β-乳球蛋白和牛血清白蛋白(BSA)的高效分离。
此外，文章还列举了多个实际应用案例和技术改进措施，如Dong等人开发的基于羟基丁基淀粉(HS)和PEG的新型亲水性热敏水凝胶(STH)，以及Yang等人采用改进聚合诱导胶体聚集方法合成的SiO2@SiO2核壳微球(SPPs)。这些技术不仅提高了蛋白质分离效率，还拓展了适用范围。
最后，文章指出高分子材料在蛋白质分离领域展现出巨大潜力，但仍面临相互作用调控不精确、分离过程的可控性、稳定性及连续性不足等挑战(图2)。未来研究首先应聚焦于高分子结构与功能的精确设计，增强其与目标蛋白特异性识别与选择性结合，同时提升体系的动态响应能力，实现分离过程的可逆性和选择性。此外，借助信息技术与智能算法分析优化分离参数，实现分离过程的数字化与智能化，将是推动该技术走向实用化、规模化的关键路径。
图2 蛋白质分离在其主要应用中的关键问题和解决方案
本综述旨在为相关研究提供系统参考与前瞻思路，助力蛋白质分离技术在个性化健康检测、生物制药及绿色制造等领域的高质量发展。
上述工作即将以综述形式在《高分子学报》印刷出版。综述共同第一作者为东华大学在读博士研究生孙颖、康复大学助理研究员王伟杰，通信联系人为东华大学朱丽萍副研究员和毛晓卉助理研究员。
作者简介
毛晓卉，女，1990年生。2012年毕业于南开大学化学学院分子科学与工程系，获南开大学理学学士学位和天津大学工学学士学位，2015、2021年分别获加拿大阿尔伯塔大学硕士和博士学位。2023年入职东华大学材料科学与工程学院。获上海市高层次人才计划(海外)，主持国自然青年基金。近年来，在专业领域相关期刊发表论文30余篇，研究方向为基于原子力显微镜探测分子间相互作用，主要应用领域有活性分子在油-水界面的组装、乳液稳定性调控、粘结剂分子设计。
朱丽萍，女，1981年生. 东华大学获学士和硕士学位，美国科罗拉多矿业学院获材料学博士学位，东华大学材料科学与工程学院副教授、博士生导师，国家高层次青年人才，联合国环境署环境影响评估委员会委员。2019年至今以第一或通讯作者身份在Adv. Funct. Mater., Acc. Mater. Res., Matter, Carbohyd. Polym.等期刊发表论文30余篇，主持国家自然科学基金委面上项目1项、企业委托项目3项，承担科技部国家重点研发计划课题任务1项、国家自然科学基金委联合基金项目课题1项。曾获中国纺织联合会科技进步一等奖(3/15)、中国材料研究学会科学技术一等奖(6/15)等奖项。主要从事生物基医用高分子材料及纤维膜材料设计制备、材料表面改性及表界面性能研究。
引用本文：
孙颖, 王伟杰, 姚焰, 刘青青, 陈鱼, 毛晓卉, 朱丽萍, 朱美芳 .
高分子材料在蛋白分离应用中的研究进展.
高分子学报, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2025.24267Sun, Y.; Wang, W. J.; Yao, Y.; Liu, Q. Q.; Chen, Y.; Mao, X. H.; Zhu, L. P.; Zhu, M. F.
Advances in polymer materials for protein separation applications.
Acta Polymerica Sinica, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2025.24267
CSTR: 32057.14.GFZXB.2025.7377
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