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TiO_2纳结构表面RGD吸附机理研究

宋代平  
【摘要】: 钛及钛合金由于具有极佳的抗蚀性、生物相容性、骨融合性和生物功能性而被广泛选做为生物医用金属材料。植入体的表面属性(如表面结构和表面粗糙度)影响细胞黏附、增殖和分化,最终决定组织的生长质量,是直接影响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纳结构,这正是生物分子吸附的活性区域,从而影响细胞与种植体表面的结合。本文借助分子动力学方法从原子尺度研究生物分子的运动特性及钛系材料表面纳结构对RGD和蛋白质吸附的作用机理,对进一步认识蛋白质及细胞在钛系生物材料表面的吸附机理而言具有重要理论意义和实用价值,为设计植入体表面结构和表面肽图案化进而促进细胞黏附提供理论基础。 本文首先建立了TiO_2纳结构吸附基质,并根据分子动力学模拟模型的特点,对Gibbs表面能计算式进行了修正,以用于评估大规模复杂形貌表面的表面能。通过对TiO_2表面基质的表面结构和表面能的研究表明:为了更好地描述金红石(110)、锐钛矿(101)、(100)和(001)表面的表面属性,模型固定层外的单元层数分别至少需要4、2、2和1层;纳结构边缘暴露更多未全配位不稳定悬空键原子,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,纳结构表面的表面能明显高于完美表面的表面能;为了获得较高的表面能,对于金红石(110)纳结构表面,可根据纳结构尺寸选择去除水平方向的原子(小结构选[110]方向,大结构选[001]方向),或沿[110]方向去除原子增加纳结构深度;对于锐钛矿(101)纳结构表面,当纳结构深度在1nm内时,表面能随纳结构深度的增加而迅速增加。 随后,建立了分子动力学模拟TiO_2纳结构表面RGD肽序列吸附模型,分析了TiO_2表面RGD的吸附构象和吸附机理,讨论了表面纳结构和水分子对RGD吸附的影响。结果表明:水分子先到达亲水性TiO_2表面并占据吸附位,水氧与表面钛键合形成稳定的第一水合层,水氧与表面氧作用形成第二水合层;吸附水层也对RGD吸附起媒介作用,它们与RGD亲水基团形成氢键作用而使RGD吸附于TiO_2表面;RGD三肽的胍基C(NH_2)_2~+、氨基NH_3~+和羧基COO~-通过静电作用和vanderWaals作用与TiO_2表面键合;金红石TiO_2 (110)完美表面的五配位钛被位于其上的表面桥氧所包围,且水分子与五配位钛结合,胍基为吸附基团;纳结构表面有更多的吸附位和较高的表面能,RGD不仅可通过胍基和氨基迅速地吸附到表面,而且羧基也可挤走已与表面钛吸附的水分子而与该表面钛原子成键;高表面能的金红石TiO_2纳结构表面比完美表面的RGD吸附更稳定、更迅速、吸附能更高。 最后,采用分子动力学模拟方法进一步研究了含RGD的纤连蛋白(FN)在TiO_2表面的吸附,建立了TiO_2表面蛋白质吸附模型,讨论了蛋白质模拟平衡条件,分析了蛋白质吸附机理及纤连蛋白不同取向、纳结构、表面能和水分子对其吸附的影响,提出了有利于细胞黏附的FN最佳取向。结果表明:系统势能和蛋白质RMSD及回转半径均趋于定值,纳秒级的模拟时间可较好地反映蛋白质在TiO_2纳结构表面的吸附过程;水溶液中的蛋白质FN-III10通过二级结构为??-转角或不规则卷曲的带电极性氨基酸与TiO_2表面结合;对于水溶液系统的亲水性TiO_2表面,完美表面由于其表面原子分布形式,它们只能通过表面桥氧和水介质与蛋白质形成连接;而纳结构表面暴露了更多的未全配位悬空键原子,形成更多的吸附位,表面能也较大,它们与蛋白质的结合才有可能形成其它连接形式,如Tis–OH_2···O_(COO~-)-FN和Tis–O_(COO~-)-RGD形式;表面能高的纳结构表面,尤其是深凹坑表面,可极大地促使蛋白质FN-III10迅速地、稳定地、多基团地吸附于TiO_2表面;基于完整的FN蛋白质结构及蛋白质吸附后ARG78-GLY79-ASP80(RGD,细胞吸附位点)序列在表面的空间位置,蛋白质FN-III10的X90、X180和X270取向最为理想,不仅吸附能高,吸附稳定迅速,而且有助于细胞黏附。


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