钛系材料表面结构对多肽链吸附行为影响的研究

摘要

随着全球骨科器材市场的迅猛发展，探究和制备具有良好的骨传导、骨诱导和骨再生能力的可植入材料逐渐成为生命科学、生物材料和微纳加工等领域的研究热点。钛和钛合金由于密度接近人骨、弹性模量低、耐腐蚀性强、化学稳定性良好而在骨植入材料领域倍受青睐。但是长期临床研究表明：钛和钛合金植入体的骨再生能力差，与周围组织结合不佳。为进一步提高材料的生物相容性，使钛和钛合金在植入人体后能与体内软硬组织界面有机结合，对其实施表面生物改性就显得尤为重要。
　　在应用于钛和钛合金表面生物改性的各项技术中，基于生物黏附/增殖因子预涂层的表面仿生修饰得到了国内外广大学者的关注。仿生预涂层（如特异性的细胞外基质（Extracellular Matrix，ECM）黏附蛋白）在基体材料和细胞环境之间的提前介入抑制了血液中非特异性的蛋白吸附，故细胞对植入材料的响应主要依赖于表面结合蛋白的种类、构象、密度和分布取向，同时植入材料的表面特性，尤其是纳米尺度的拓扑结构特征亦需经由预涂蛋白层的分布模式间接表达以影响细胞响应。因此，可以通过控制材料表面结构来优化和调控 ECM黏附蛋白的吸附行为，使其能够在植入体和细胞环境之间发挥定向桥接作用。然而，材料表面结构特性在影响蛋白质吸附方面所涵盖的内容非常丰富，单纯借助试验尝试获取最优表面条件并不可取，这就要求我们从分子水平上解析材料表面结构对蛋白质吸附影响的微观机理，并依此为据指导植入体的表面设计，构筑适合细胞黏附、延展、增殖和分化的生物功能化界面。本论文围绕金红石（rutile）型 TiO2表面的拓扑结构特性、羟基化程度及溶液环境对肽链吸附行为的影响，利用分子动力学方法开展了如下几个方面的研究工作：
　　鉴于包覆在生物分子外围介质水的特性是影响其生物学功能正常行使的决定因素，本文首先从水溶剂模型的选择入手，量化比较了TIP3P和SPC/E两种水溶剂环境下，精氨酸-甘氨酸-天门冬氨酸（Arg-Gly-Asp，RGD）序列在电中性未羟基化rutile(110)表面趋向吸附平衡的能力，并结合特定条件下TIP3P和SPC/E水溶剂体相物理特性同液体水的逼近程度，完成了水模型的选取。
　　为全面解析肽链功能基团与基底表面之间可能出现的结合模式，利用肽链自由沉积确定了初始呈不同位向的RGD序列自发吸附至基底后与rutile发生直接作用的主要功能基团，同时在对肽链初始状态进行人为干预的前提下，验证了RGD经由羧基基团与表面原子直接键合的可能性，并通过在基底表层引入不同深度的局部凹槽结构，系统分析了表面形貌对肽链吸附模式的影响及决定 RGD–rutile相互作用强度的主要因素。
　　参考基底表面在血液 pH环境中的电荷特性，构筑了电负性羟基化/未羟基化rutile表面，并通过在模拟溶剂中添加离子成分对表面负电荷进行中和。分析了电负性羟基化 rutile基底上不同表面基团的亲和特性，研究了阳离子的体相特性及其在 rutile水合界面的分布规律，确定了不同类别阳离子（单价：Na+、K+和Rb+；二价：Mg2+、Ca2+和Sr2+）的主导吸附基点，并提出了离子吸附强度与感胶离子序列排布的对应关系。以人体血浆中含量最高的无机离子–—Na+为代表，解析了阳离子的介入对携带同种净电荷的Asp残基和rutile表面之间以及携带异种净电荷的Arg残基与rutile表面之间相互作用的影响机制。并在此基础上，综合研究了媒介阳离子的带电量、界面结合模式以及基底表面的羟基化程度对RGD在rutile表面吸附行为的影响规律。
　　RGD是纤连蛋白中最重要的短肽序列，可特异性识别并与细胞膜表面整联蛋白受体键合，但纤连蛋白所引发的介导整联蛋白信号机制并不能完全被独立的RGD序列所再现。因此，本文在对短肽吸附特性深入研究的基础上，将目标肽链拓展为纤连蛋白片段（第10个 III型结构域，FN-III10），重点考察了FN-III10分子对基底表面纳米尺度拓扑形貌的响应情况，提出了纤连蛋白片段在具有表层纳缺陷（O空穴、台阶和凹槽）或纳结构（凸峰、凹坑和长槽）rutile基底表面的吸附优先性，得到了表面纳米级拓扑结构特征对蛋白质片段吸附稳定程度的影响规律。确定了FN-III10在NaCl溶液中同电负性羟基化/未羟基化rutile表面相互结合的具体模式和驱动力，并指出了影响 Na+离子对蛋白质片段吸附介导持久性的本质因素。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究目的及意义

1.2 课题的研究对象

1.3 材料表面形貌对蛋白质吸附影响的实验研究现状

1.4 短肽和蛋白质在材料表面吸附的分子动力学模拟研究现状

1.5本文的研究内容

第2章 分子动力学模拟模型的建立及验证

2.1 引言

2.2 分子动力学基本理论

2.3 分子动力学模型参数的选取

2.4 模拟模型验证

2.5 本章小结

第3章 RGD在未羟基化金红石表面的吸附模式研究

3.1 引言

3.2 RGD在完美金红石表面的自发吸附行为探讨

3.3 RGD在凹槽金红石表面的吸附模式测试

3.4 本章小结

第4章 RGD在羟基化金红石表面的吸附行为研究

4.1 引言

4.2 羟基化金红石表面基团的亲和特性分析

4.3 阳离子与羟基化金红石表面的相互作用探讨

4.4 Na+离子对RGD在羟基化金红石表面吸附的介导模式测试

4.5 阳离子对RGD在羟基化金红石表面吸附的介导性能比较

4.6 本章小结

第5章 纤连蛋白在纳形貌金红石表面的吸附状态研究

5.1 引言

5.2 FN-III10在纳缺陷金红石表面的吸附特性探讨

5.3 FN-III10在纳结构金红石表面的吸附态势比较

5.4 NaCl溶液中FN-III10在羟基化金红石表面的吸附行为探究

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其他成果

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