TiO2納結構表面RGD吸附機理研究.pdf

1、鈦及鈦合金由于具有極佳的抗蝕性、生物相容性、骨融合性和生物功能性而被廣泛選做為生物醫(yī)用金屬材料。植入體的表面屬性(如表面結構和表面粗糙度)影響細胞黏附、增殖和分化，最終決定組織的生長質量，是直接影響植入是否成功的重要因素。l0nm以下的表面微粗糙度包含材料的本身缺陷和納結構，這正是生物分子吸附的活性區(qū)域，從而影響細胞與種植體表面的結合。本文借助分子動力學方法從原子尺度研究生物分子的運動特性及鈦系材料表面納結構對RGD和蛋白質吸附的作用機

2、理，對進一步認識蛋白質及細胞在鈦系生物材料表面的吸附機理而言具有重要理論意義和實用價值，為設計植入體表面結構和表面肽圖案化進而促進細胞黏附提供理論基礎。
　　本文首先建立了TiO2納結構吸附基質，并根據(jù)分子動力學模擬模型的特點，對Gibbs表面能計算式進行了修正，以用于評估大規(guī)模復雜形貌表面的表面能。通過對TiO2表面基質的表面結構和表面能的研究表明：為了更好地描述金紅石(110)、銳鈦礦(101)、(100)和(001)表面的表

3、面屬性，模型固定層外的單元層數(shù)分別至少需要4、2、2和1層；納結構邊緣暴露更多未全配位不穩(wěn)定懸空鍵原子，且原子未全配位的程度越高位移矢量也越大；配位程度越高的原子表面比未全配位的原子表面能量低，納結構表面的表面能明顯高于完美表面的表面能；為了獲得較高的表面能，對于金紅石(110)納結構表面，可根據(jù)納結構尺寸選擇去除水平方向的原子(小結構選[110]方向，大結構選[001]方向)，或沿[110]方向去除原子增加納結構深度；對于銳鈦礦(10

4、1)納結構表面，當納結構深度在1 nm內時，表面能隨納結構深度的增加而迅速增加。
　　隨后，建立了分子動力學模擬TiO2納結構表面RGD肽序列吸附模型，分析了TiO2表面RGD的吸附構象和吸附機理，討論了表面納結構和水分子對RGD吸附的影響。結果表明：水分子先到達親水性TiO2表面并占據(jù)吸附位，水氧與表面鈦鍵合形成穩(wěn)定的第一水合層，水氧與表面氧作用形成第二水合層；吸附水層也對RGD吸附起媒介作用，它們與RGD親水基團形成氫鍵作用而

5、使RGD吸附于TiO2表面；RGD三肽的胍基C(NH2)2+、氨基NH3+和羧基COO?通過靜電作用和van der Waals作用與TiO2表面鍵合；金紅石TiO2(110)完美表面的五配位鈦被位于其上的表面橋氧所包圍，且水分子與五配位鈦結合，胍基為吸附基團；納結構表面有更多的吸附位和較高的表面能，RGD不僅可通過胍基和氨基迅速地吸附到表面，而且羧基也可擠走已與表面鈦吸附的水分子而與該表面鈦原子成鍵；高表面能的金紅石TiO2納結構表面

6、比完美表面的RGD吸附更穩(wěn)定、更迅速、吸附能更高。
　　最后，采用分子動力學模擬方法進一步研究了含RGD的纖連蛋白(FN)在TiO2表面的吸附，建立了TiO2表面蛋白質吸附模型，討論了蛋白質模擬平衡條件，分析了蛋白質吸附機理及纖連蛋白不同取向、納結構、表面能和水分子對其吸附的影響，提出了有利于細胞黏附的FN最佳取向。結果表明：系統(tǒng)勢能和蛋白質RMSD及回轉半徑均趨于定值，納秒級的模擬時間可較好地反映蛋白質在TiO2納結構表面的吸附

7、過程；水溶液中的蛋白質FN-III10通過二級結構為β-轉角或不規(guī)則卷曲的帶電極性氨基酸與TiO2表面結合；對于水溶液系統(tǒng)的親水性TiO2表面，完美表面由于其表面原子分布形式，它們只能通過表面橋氧和水介質與蛋白質形成連接；而納結構表面暴露了更多的未全配位懸空鍵原子，形成更多的吸附位，表面能也較大，它們與蛋白質的結合才有可能形成其它連接形式，如Tis-OH2…OCOO--FN和Tis-OCOO--RGD形式；表面能高的納結構表面，尤其是深