几种常规生物医用材料表面界面的计算机模拟

摘要

生物医用材料植入人体后，植入体材料的表面即刻转变为生物医用材料同人体组织的界面。蛋白质、酶等将顺序或无序的吸附集结在植入体表面，随后将是生物材料同生物体间复杂的物理化学过程，将会影响生物医用材料原本的性能与形貌，也会影响生物体本身的形貌与性能，从而产生一些显现的宏观表现，如生物材料的腐蚀，降解及失效或者生物体的炎症反应等。生物体尤其是蛋白质等功能大分子在生物材料表面吸附后，往往会因为同生物材料表面的相互作用而发生结构的变化，从而使蛋白质原有的功能增强、减弱或丧失。因此，研究生物医用材料-生物体的表面界面相互作用对生物材料的研究开发，生物材料的表面改性及医疗器械设计具有重大的意义。然而，当前实验研究对于生物材料表面界面相互作用的机理在分子原子水平上的认识还很缺乏。
　　 本文采用分子动力学方法以及第一性原理方法在分子原子水平上研究了常见生物材料的表面界面问题，主要内容包括：钛及钛合金由于其优良的力学性能，抗腐蚀性能及生物相容性被用做医用植入体，TiO2是钛基材料表层的主要成分，与钛基植入体材料优良的生物相容性紧密相关。Arg-Gly-Asp(RGD三肽)氨基酸序列作为一种特异性识别位点广泛存在于胶原蛋白、纤连蛋白、骨粘连蛋白及玻连蛋白等多种细胞外基质蛋白中。生物分子的功能与其空间构象密切相关，而TiO2表面与RGD三肽间的相互作用则直接影响着RGD三肽的空间构象变化。RGD三肽与TiO2表面相互作用的机理研究对于钛基生物医用材料的表面改性及RGD空间构象的变化等研究领域意义重大，然而当前对于RGD与TiO2相互作用的机理并不清楚。本文采用分子动力学(MD)方法模拟了RGD三肽与锐钛矿及金红石不同表面间的相互作用，考察了真空环境，水环境以及锐钛矿(金红石)表面的缺陷对于二者相互作用的影响。模拟结果表明TiO2表面的晶体结构相对于RGD三肽的初始构型，对RGD三肽与TiO2界面间结合能有更大影响，RGD三肽与锐钛矿(101)表面间的结合能比其与金红石(110)表面间结合能大。RGD三肽分子与TiO2表面相互作用过程中的分子构型的变化主要是由主链中部的二面角变化所引起。两者间的相互作用形式主要是氢键。TiO2表面的台阶状缺陷很大程度上影响着RGD三肽在其表面的吸附。RGD三肽与TiO2表面的台阶状缺陷的顶部有相对较弱的相互作用。然而，当RGD三肽掉入两相邻台阶状缺陷形成的纳米沟槽时，RGD三肽与TiO2表面的相互作用将有所增强。水环境阻碍着RGD三肽与TiO2表面的相互作用，有助于保持RGD三肽的初始构型。进一步，本文采用密度泛函理论模拟了精氨酸分子R在金红石表面的吸附，考察了金红石表面的氧原子缺陷以及水环境对精氨酸分子R吸附的影响。模拟结果表明当氨基酸分子平铺在金红石表面时，二者间的吸附能最大。另外，在金红石表面的面氧原子缺陷和桥氧原子缺陷之间，面氧原子缺陷对于氨基酸分子R的吸附影响更大。吸附在金红石表面的水分子对于氨基酸分子的吸附起阻碍作用。壳聚糖为一种天然的多糖，含有大量活性氨基和羧基。壳聚糖以良好的抗菌性、生物相容性及可降解性成为组织工程研究中的热点材料。为了获得具有优良性能的生物医用复合材料，出现了很多羟基磷灰石/壳聚糖复合材料的研究。HA/壳聚糖复合材料的性能在很大程度上受到二者间的界面结合性能的影响，因此，无论从学术的角度还是生产应用生物医用复合材料的角度而言，HA/壳聚糖复合材料的界面性能都占有重要的地位。本研究采用MD方法研究了壳聚糖分子链段与HA(001)，(100)及(110)面的相互作用，计算了壳聚糖分子链段与HA(001)，(100)及(110)面间的结合能，计算了壳聚糖分子链段上氮，氧原子的浓度分布曲线以及HA表面钙原子与壳聚糖分子链段上氮原子间的距离。结合能结果表明在三个HA表面中，壳聚糖与HA(100)面的结合能最大。浓度分布曲线及HA表面钙原子与壳聚糖分子链段上氮原子间距离计算表明壳聚糖分子链段上的氨基基团与HA表面的钙元素间可能存在化学键合。HA表面的羟基与壳聚糖分子链段上的羧基间有氢键存在。羟基磷灰石(Hydroxyapatite HA)作为重要的生物活性陶瓷之一，由于其优良的生物活性及骨传导性而被用于临床骨修复及骨替换。然而，HA的脆性及较差的抗弯强度限制了HA在人体承重部位的应用。当前主要采用HA-高分子复合材料试图弥补HA在力学性能方面的不足。通常的实验手段对于HA/高分子复合材料的界面结合问题的研究方法有一定的局限性，很难获得原子分子水平上不同材料间的相互作用信息。本研究采用计算机模拟方法分析了HA/高分子复合材料体系界面的相互作用，以及偶联剂A174在复合材料界面结合性方面的作用。模拟结果表明HA(110)表面与三种高分子链段的相互作用最强。尼龙66以及聚乳酸与HA表面的相互作用强于聚乙烯与HA表面的相互作用。硅烷偶联剂A174能提高聚乙烯与HA间的界面结合力，却对尼龙66/HA，聚乳酸/HA体系的界面结合力改善效果不明显。研究表明计算机模拟是一种有效的技术方法，在针对特定的复合材料体系选择特定的偶联剂时非常有用。综上所述，计算机模拟技术在生物材料表面界面的微观机理研究方面是个非常有用的方法，能从分子原子水平上研究生物材料的表面微物理化学环境等影响生物材料表界面的问题，能从电子转移角度分析分子原子间的相互作用。