羥基磷灰石與牛血清白蛋白相互作用的原位ATR-FTIR及EQCM研究.pdf

1、羥基磷灰石(HA)是一種重要的生物材料，它在人體的多種生理過程中起到極其重要的作用，在骨骼的修復(fù)、替代中有著廣泛的應(yīng)用，是目前植入材料研究的熱點(diǎn)。當(dāng)羥基磷灰石作為骨替代材料植入體內(nèi)時(shí)，必然要與血液和組織液中的蛋白發(fā)生相互作用。首先是蛋白在生物材料表面的吸附，而吸附的蛋白將直接影響細(xì)胞在材料表面的黏附、貼壁、生長和增殖，并將影響材料/組織的界面反應(yīng)及其最終植入效果，所以蛋白在材料表面的吸附過程及其相互作用機(jī)理是一個(gè)重要的基礎(chǔ)問題。

2、 目前已有多種技術(shù)可應(yīng)用于生物界面的研究，如圓二色光譜(CD)，激光拉曼光譜(Raman)，全內(nèi)反射紅外光譜(ATR-FTIR)，電化學(xué)石英晶體微天平(EQCM)等。全內(nèi)反射模式紅外光譜靈敏度高、可有效排除生理環(huán)境中水的干擾，有利于對生物材料/生物環(huán)境界面進(jìn)行分子水平的原位研究。電化學(xué)石英晶體微天平可原位測量電極頻率的變化值，從而獲得電極納克級(jí)的質(zhì)量變化，十分有利于對生物物種在電極表面的吸脫附過程及相互作用機(jī)理進(jìn)行研究。 本論文

3、選擇血清中含量最豐富的牛血清白蛋白(BSA)作為研究蛋白，主要采用全內(nèi)反射紅外光譜、電化學(xué)石英晶體微天平等方法，原位考察牛血清白蛋白與生物材料的界面相互作用，牛血清白蛋白在羥基磷灰石表面的吸附動(dòng)力學(xué)行為，以及羥基磷灰石與牛血清白蛋白的相互作用機(jī)理。試圖探明電化學(xué)法制備的HA生物材料/生物環(huán)境界面過程的微觀本質(zhì)。主要取得如下研究進(jìn)展： 1.將生物材料HA和磷酸八鈣(OCP)分別電化學(xué)沉積于紅外全內(nèi)反射晶體鍺單晶表面；將鈦酸鹽納米管

4、(TNT)用layer-by-layer法修飾于鍺單晶表面。而后對三種材料的表面形貌、結(jié)構(gòu)和組分等理化性能進(jìn)行了全面表征。 2.采用ATR-FTIR原位研究了BSA與三種生物材料的界面相互作用，BSA在三種材料表面的吸附量都隨著作用時(shí)間的延長而增加。BSA在HA表面有強(qiáng)的吸附作用，而后是OCP，在TNT表面的吸附較弱，表明HA比OCP、TNT有更好的生物相容性。 3.采用EQCM對HA電沉積初期的行為進(jìn)行了原位研究，HA

5、膜層的形成主要包含兩個(gè)階段，第一階段主要是晶核的生成，第二階段是晶粒的生長，晶粒是沿C軸方向垂直于電極表面擇優(yōu)生長的。 4.采用QCM原位研究了BSA在HA表面和Au表面的吸附動(dòng)力學(xué)行為。兩種材料表面蛋白的吸附動(dòng)力學(xué)過程相似：最初有大量的蛋白分子快速靠近并吸附于材料表面，而后吸附量逐漸增加，最后趨于穩(wěn)定。HA表面的吸附量大于Au表面。由吸附密度可以得出，在HA表面BSA具有直立和平躺兩種吸附取向，直立取向較為穩(wěn)定；而在Au表面，

6、平躺取向較為穩(wěn)定。 5.BSA與HA的相互作用引起HA晶粒的細(xì)化和部分晶面的擇優(yōu)生長，相互作用產(chǎn)物的IR譜中既有HA的特征峰又有蛋白的特征譜帶，表明BSA與HA發(fā)生了分子問反應(yīng)，并形成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膜層。 6.羥基磷灰石膜層表面與蛋白分子接觸時(shí)，Ca2+是主要結(jié)合位點(diǎn)，這是由于BSA分子中的負(fù)電荷點(diǎn)可通過靜電作用與陽離子相結(jié)合。而HA中的PO43-對蛋白也有一定的吸附作用，說明PO43-也可能成為表面反應(yīng)的結(jié)合位點(diǎn)。