鈦系材料表面結(jié)構(gòu)對多肽鏈吸附行為影響的研究.pdf

1、隨著全球骨科器材市場的迅猛發(fā)展，探究和制備具有良好的骨傳導、骨誘導和骨再生能力的可植入材料逐漸成為生命科學、生物材料和微納加工等領域的研究熱點。鈦和鈦合金由于密度接近人骨、彈性模量低、耐腐蝕性強、化學穩(wěn)定性良好而在骨植入材料領域倍受青睞。但是長期臨床研究表明：鈦和鈦合金植入體的骨再生能力差，與周圍組織結(jié)合不佳。為進一步提高材料的生物相容性，使鈦和鈦合金在植入人體后能與體內(nèi)軟硬組織界面有機結(jié)合，對其實施表面生物改性就顯得尤為重要。

2、　　在應用于鈦和鈦合金表面生物改性的各項技術中，基于生物黏附/增殖因子預涂層的表面仿生修飾得到了國內(nèi)外廣大學者的關注。仿生預涂層（如特異性的細胞外基質(zhì)（Extracellular Matrix，ECM）黏附蛋白）在基體材料和細胞環(huán)境之間的提前介入抑制了血液中非特異性的蛋白吸附，故細胞對植入材料的響應主要依賴于表面結(jié)合蛋白的種類、構(gòu)象、密度和分布取向，同時植入材料的表面特性，尤其是納米尺度的拓撲結(jié)構(gòu)特征亦需經(jīng)由預涂蛋白層的分布模式間接表達

3、以影響細胞響應。因此，可以通過控制材料表面結(jié)構(gòu)來優(yōu)化和調(diào)控 ECM黏附蛋白的吸附行為，使其能夠在植入體和細胞環(huán)境之間發(fā)揮定向橋接作用。然而，材料表面結(jié)構(gòu)特性在影響蛋白質(zhì)吸附方面所涵蓋的內(nèi)容非常豐富，單純借助試驗嘗試獲取最優(yōu)表面條件并不可取，這就要求我們從分子水平上解析材料表面結(jié)構(gòu)對蛋白質(zhì)吸附影響的微觀機理，并依此為據(jù)指導植入體的表面設計，構(gòu)筑適合細胞黏附、延展、增殖和分化的生物功能化界面。本論文圍繞金紅石（rutile）型 TiO2表面

4、的拓撲結(jié)構(gòu)特性、羥基化程度及溶液環(huán)境對肽鏈吸附行為的影響，利用分子動力學方法開展了如下幾個方面的研究工作：
　　鑒于包覆在生物分子外圍介質(zhì)水的特性是影響其生物學功能正常行使的決定因素，本文首先從水溶劑模型的選擇入手，量化比較了TIP3P和SPC/E兩種水溶劑環(huán)境下，精氨酸-甘氨酸-天門冬氨酸（Arg-Gly-Asp，RGD）序列在電中性未羥基化rutile(110)表面趨向吸附平衡的能力，并結(jié)合特定條件下TIP3P和SPC/E水溶

5、劑體相物理特性同液體水的逼近程度，完成了水模型的選取。
　　為全面解析肽鏈功能基團與基底表面之間可能出現(xiàn)的結(jié)合模式，利用肽鏈自由沉積確定了初始呈不同位向的RGD序列自發(fā)吸附至基底后與rutile發(fā)生直接作用的主要功能基團，同時在對肽鏈初始狀態(tài)進行人為干預的前提下，驗證了RGD經(jīng)由羧基基團與表面原子直接鍵合的可能性，并通過在基底表層引入不同深度的局部凹槽結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分析了表面形貌對肽鏈吸附模式的影響及決定 RGD–rutile相互作用

6、強度的主要因素。
　　參考基底表面在血液 pH環(huán)境中的電荷特性，構(gòu)筑了電負性羥基化/未羥基化rutile表面，并通過在模擬溶劑中添加離子成分對表面負電荷進行中和。分析了電負性羥基化 rutile基底上不同表面基團的親和特性，研究了陽離子的體相特性及其在 rutile水合界面的分布規(guī)律，確定了不同類別陽離子（單價：Na+、K+和Rb+；二價：Mg2+、Ca2+和Sr2+）的主導吸附基點，并提出了離子吸附強度與感膠離子序列排布的對應關

7、系。以人體血漿中含量最高的無機離子–—Na+為代表，解析了陽離子的介入對攜帶同種凈電荷的Asp殘基和rutile表面之間以及攜帶異種凈電荷的Arg殘基與rutile表面之間相互作用的影響機制。并在此基礎上，綜合研究了媒介陽離子的帶電量、界面結(jié)合模式以及基底表面的羥基化程度對RGD在rutile表面吸附行為的影響規(guī)律。
　　RGD是纖連蛋白中最重要的短肽序列，可特異性識別并與細胞膜表面整聯(lián)蛋白受體鍵合，但纖連蛋白所引發(fā)的介導整聯(lián)蛋白

8、信號機制并不能完全被獨立的RGD序列所再現(xiàn)。因此，本文在對短肽吸附特性深入研究的基礎上，將目標肽鏈拓展為纖連蛋白片段（第10個 III型結(jié)構(gòu)域，F(xiàn)N-III10），重點考察了FN-III10分子對基底表面納米尺度拓撲形貌的響應情況，提出了纖連蛋白片段在具有表層納缺陷（O空穴、臺階和凹槽）或納結(jié)構(gòu)（凸峰、凹坑和長槽）rutile基底表面的吸附優(yōu)先性，得到了表面納米級拓撲結(jié)構(gòu)特征對蛋白質(zhì)片段吸附穩(wěn)定程度的影響規(guī)律。確定了FN-III10在N