收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

磷酸钙生物陶瓷表面结构和性质与蛋白质特异性吸附

朱向东  
【摘要】: 生物材料植入体内后的初始事件是蛋白质在植入体表面的吸附,吸附的蛋白质对于随后的细胞行为以及植入体的最终效果起着十分重要的作用。磷酸钙生物材料具有与人体骨组织的无机成分相似的特点而被广泛用作骨修复替换材料,其优良的生物学性质已得到了充分的证实。因此磷酸钙生物材料的蛋白质吸附行为,尤其是对骨相关蛋白质的特异性吸附是目前生物材料科学基础研究的前沿课题,对于揭示磷酸钙生物材料生物活性本质和骨诱导机理具有非常重要的意义。 由于以往的研究大多集中在单一的羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)上,而且普遍使用的是体外单一蛋白体系,对于不同组成和结构的磷酸钙生物材料蛋白吸附的机理认识不充分,尤其是不同蛋白质之间的竞争吸附本质及其与材料本身的化学性质和结构的内在联系方面没有给出确切的信息。因此本文从单蛋白、双蛋白和血清蛋白吸附以及体内扩散盒植入出发,系统地研究不同组成和结构的磷酸钙陶瓷的体内外蛋白吸附行为,初步探讨了磷酸钙陶瓷蛋白吸附的机理,揭示了不同组成和结构磷酸钙陶瓷在蛋白吸附行为的相似性和相异性。 蛋白吸附行为由材料和蛋白质本身的性质所决定。材料表面电位、化学吸附位点、亲水性等表面化学性质是影响其表面蛋白质吸附的重要因素:蛋白质本身结构、表面电荷、分子结构稳定性、柔性等也是影响其在材料表面吸附的重要因素。 由于磷酸钙陶瓷组成和结构及表面性质上的上的相似性,决定其具有相似的蛋白吸附行为。根据接触角和Zeta电位测试结果,磷酸钙陶瓷具有一定的表面疏水性,在生理pH条件下它们具有负的表面Zeta电位。光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)分析结果显示牛血清白蛋白(bovine serum albumin,BSA)吸附导致磷酸钙陶瓷颗粒表面Ca和P周围结合原子的键合情况发生了较为明显的改变,证实磷酸钙陶瓷的两种吸附位点(带正电的C点和带负电的P点)都与BSA的吸附有关。 根据BSA在磷酸钙陶瓷颗粒表面的吸附结果,BSA在磷酸钙陶瓷颗粒表面的吸附都是一个非常快速的过程,可以用一级反应式来描述,同时还可以用Langmuir型吸附等温式来预测BSA在磷酸钙陶瓷表面的吸附行为。HA和双相磷酸钙(biphasic calcium phosphate,BCP)陶瓷颗粒在表面疏水性和Zeta电位上的差异是它们具有不同BSA吸附能力的主要原因。磷酸钙陶瓷颗粒表面的BSA饱和吸附量都远低于理论计算值,因而具有较低的表面蛋白覆盖率。BCP比HA有更小的表面Zeta电位绝对值而对BSA的吸附阻碍更小;同时BCP较强的表面疏水性可促使更多的BSA分子在BCP陶瓷颗粒表面吸附聚集。因此,BCP陶瓷比HA有更强的BSA吸附能力。 材料表面的Zeta电位随溶液组成、pH值、离子强度等因素影响,并影响材料表面的蛋白吸附能力,二者的变化之间具有一定的相关性,可以通过磷酸钙陶瓷颗粒和BSA之间的静电作用来给予解释。根据不同溶液条件下磷酸钙陶瓷颗粒的表面Zeta电位测试和BSA吸附实验结果,HA、BCP和β-磷酸三钙(β-tricalcium phosphate,β-TCP)三种磷酸钙陶瓷的表面Zeta电位和BSA吸附量随溶液环境变化时都会产生相类似的变化规律。H~+、OH~-、PO_4~(3-)和Ca~(2+)是磷酸钙陶瓷的电势决定离子,溶液中pH值、PO_4~(3-)和Ca~(2+)浓度的变化决定磷酸钙陶瓷颗粒表面Zeta电位的极性和绝对值的大小,同时对BSA吸附量也会产生较大的影响;Na~+和Cl~-虽然不是磷酸钙陶瓷的电势决定离子,但是其浓度变化引起溶液离子强度的改变也会在一定程度上影响磷酸钙陶瓷颗粒的表面Zeta电位和BSA吸附,只不过这种影响要受到溶液中那些电势决定离子的制约。 BSA和溶菌酶(lysozyme,LSZ)在HA、BCP和β-TCP三种磷酸钙陶瓷颗粒表面具有类似的竞争吸附行为,LSZ比BSA在磷酸钙陶瓷颗粒表面有更高的吸附率,磷酸钙陶瓷对LSZ表现出更高的吸附亲和性。由此可以预测体液中的那些骨生长因子如BMP-2和TGF-β1等尽管含量很低,但是磷酸钙陶瓷对它们高的吸附亲和性极有可能使它们在磷酸钙陶瓷表面吸附聚集,这无疑对磷酸钙陶瓷骨诱导机理的解释是一个很好的补充。无论是在PBS还是在SBF中,随BSA/LSZ双蛋白体系中BSA和LSZ的浓度比例的不同,BSA和LSZ在磷酸钙陶瓷颗粒表面的竞争吸附过程有所差异。当体系中BSA和LSZ的浓度相当时,具有较低分子量的LSZ由于具有较大的扩散系数而先于BSA之前达到磷酸钙陶瓷颗粒表面并发生吸附,但是由于LSZ和BSA之间的静电吸引和磷酸钙陶瓷颗粒表面空余的吸附位点的存在,BSA仍然能够在表面吸附,只是吸附量较小。随着体系中BSA浓度比例的提高,磷酸钙陶瓷颗粒表面的初始蛋白吸附就逐渐变成以BSA吸附为主。但是由于高浓度条件下BSA分子的构象改变程度较小,使得BSA和磷酸钙陶瓷颗粒表面的相互作用变弱。而LSZ由于与磷酸钙陶瓷颗粒表面的吸附亲和性更强,随着时间的增长,先吸附的BSA分子就可能被后到达的LSZ所取代。因此,当体系中LSZ浓度一定的时候,LSZ在磷酸钙陶瓷颗粒表面的吸附几乎不受不受溶液中BSA浓度变化的影响。由于LSZ与骨生长因子蛋白有类似的分子量大小和电性质,由此可以预测体液中的那些骨生长因子如BMP-2和TGF-β1等尽管含量很低,但是磷酸钙陶瓷对它们高的吸附亲和性极有可能使它们在磷酸钙陶瓷表面吸附聚集。 陶瓷孔隙结构对于其表面蛋白吸附具有重要影响。对多蛋白吸附体系,陶瓷表面同时表现出多层蛋白吸附行为。根据体外血清浸泡和体内扩散盒植入条件下不同表面结构磷酸钙陶瓷的蛋白吸附结果,相对于比表面积而言,磷酸钙陶瓷的孔结构大小和孔隙率对于其蛋白吸附量有着很大的贡献,其多孔结构特征大大提升了磷酸钙陶瓷的蛋白吸附能力。在体外血清蛋白吸附条件下磷酸钙陶瓷表面的蛋白吸附并不是纯粹的单分子层蛋白吸附,而是表现出多层蛋白吸附行为。 磷酸钙陶瓷不仅能够吸附血液和组织液中那些含量比较高的蛋白质,而且对于Fibeonectin和TGF-β1这些与成骨密切相关的功能蛋白质也表现出较强的吸附能力。通过DS-PAGE电泳分析、Fibeonectin的免疫印迹分析和TGF-β1的ELISA定量分析结果显示,在体内扩散盒植入条件下磷酸钙陶瓷能够富集TGF-β1等生长因子蛋白,它们的TGF-β1吸附量随着吸附时间的延长而有显著的提高。HA、BCP和β-TCP在吸附的TGF-β1量上存在一定的差异,β-TCP的相对吸附量低于HA和BCP。多孔的BCP陶瓷吸附TGF-β1的量最大,这可能是它比HA和β-TCP有更强骨诱导能力的一个重要原因。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 谭旭民;;磷酸钙陶瓷移植物对牙萌出的影响[J];国外医学.生物医学工程分册;1988年06期
2 徐冠雄;;磷酸钙陶瓷修复牙周骨缺损之研究获得成功[J];口腔医学;1989年04期
3 史宗道;;磷酸钙陶瓷对牙齿萌出的影响[J];国外医学.口腔医学分册;1989年02期
4 仇文敏;胡晓娜;王倩倩;李伟;杨帮成;;氧化钛催化羟基磷灰石分解制备可降解磷酸钙陶瓷[J];无机化学学报;2011年03期
5 陈晓明,闫玉华,罗泽波;磷酸钙陶瓷纤维的研究[J];武汉工业大学学报;1996年02期
6 曹强,牛金龙,顾晓明,毛天球,杨维东;4种磷酸钙陶瓷颗粒的细胞毒性[J];牙体牙髓牙周病学杂志;2003年03期
7 樊丁;李秀坤;郑敏;;金属基磷酸钙陶瓷涂层的界面研究进展[J];中国表面工程;2007年04期
8 陈维群,屈树新,杨宗剑,张兴栋;多孔复相磷酸钙陶瓷骨诱导早期生物组织学的电镜研究[J];四川大学学报(自然科学版);1999年01期
9 林开利;;改善磷酸钙陶瓷生物活性的途径[J];口腔材料器械杂志;2017年02期
10 梁列峰,翁杰;蚕丝纤维作载体的磷酸钙陶瓷纤维的制备[J];纺织学报;2005年04期
11 王哲;敖俊;赵彦禹;张志敏;吴明松;李学英;;不同磷酸钙陶瓷对兔骨髓基质干细胞增殖及成骨分化相关基因表达的影响[J];遵义医学院学报;2017年05期
12 朱益志;刘其斌;徐鹏;白杨;姚利兰;姜晶晶;;激光熔覆稀土磷酸钙陶瓷涂层及其在生理盐水中的降解行为[J];稀有金属材料与工程;2017年11期
13 姚金凤;李晓宇;包崇云;范红松;张兴栋;陈治清;;磷酸钙陶瓷在非骨组织中构建组织工程骨研究[J];稀有金属材料与工程;2009年S2期
14 吕效杰;南欣荣;;磷酸钙陶瓷在骨组织工程中的应用[J];山西医科大学学报;2006年01期
15 陈晓星;;各种磷酸钙陶瓷颗粒的体外溶解性研究[J];国外医学.生物医学工程分册;1991年03期
16 田端恒雄;;羟基磷酸钙种植体[J];国外医学.口腔医学分册;1985年03期
17 秦湘阁,马臣,孟祥才;磷酸钙生物陶瓷[J];佳木斯大学学报(自然科学版);2001年02期
18 吴巧凤,陈槐卿;可降解生物材料聚乳酸/磷酸钙陶瓷在骨组织工程中的应用[J];国外医学.生物医学工程分册;2005年01期
19 孙祥云,李见;几种生物陶瓷的进展[J];材料导报;1992年04期
20 姚金凤;李晓宇;梁志刚;梁芮;包崇云;陈治清;;骨诱导性磷酸钙陶瓷为支架的组织工程骨修复狗下颌骨箱状缺损[J];中国组织工程研究;2012年16期
中国重要会议论文全文数据库 前9条
1 王涛;田卫东;陈希哲;李声伟;廖运茂;;SD大鼠骨髓基质细胞与新型纳米磷酸钙陶瓷支架体外粘附的研究[A];2004年中国口腔颌面修复重建外科学术会议论文汇编[C];2004年
2 张建民;林昌健;冯祖德;田昭武;;电流密度对钙磷生物陶瓷沉积层组成和结构的影响[A];第三届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];1998年
3 黄力迅;郭晓东;肖宇;包崇云;;外泌体介导的三磷酸钙陶瓷对大鼠骨髓间充质干细胞迁移及成骨向分化的影响[A];第十二次全国口腔材料学术会第五届口腔材料专委会换届会议论文集[C];2017年
4 姚金凤;李晓宇;包崇云;范红松;张兴栋;陈治清;;骨诱导性磷酸钙陶瓷在不同非骨组织中构建体内组织骨移植物的比较[A];第十五届全国高技术陶瓷学术年会摘要集[C];2008年
5 李明政;肖宇;包崇云;;磷酸钙陶瓷微结构影响巨噬细胞粘附、增殖及M1/M2亚型活化的研究[A];第十二次全国口腔材料学术会第五届口腔材料专委会换届会议论文集[C];2017年
6 冯祖德;苏奇深;李佐臣;;电泳方法制备磷酸钙生物陶瓷镀层的研究[A];第四届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];2001年
7 李延报;翁文剑;程逵;杜丕一;沈鸽;韩高荣;;具有生物降解特性可控的磷酸钙材料制备研究[A];中国硅酸盐学会2003年学术年会论文摘要集[C];2003年
8 戴红莲;曹献英;闫玉华;李世普;卢旭辉;;可降解磷酸钙陶瓷体内植入后的超微结构研究[A];2002年材料科学与工程新进展(上)——2002年中国材料研讨会论文集[C];2002年
9 胡红杰;刘宣勇;丁传贤;;硅掺杂对纳米氧化钛涂层结构和性能的影响[A];2009年上海市医用生物材料研讨会论文汇编[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 高阳;激光快速成形技术制备磷酸钙陶瓷涂层及其生物学性能研究[D];第四军医大学;2010年
2 朱向东;磷酸钙生物陶瓷表面结构和性质与蛋白质特异性吸附[D];四川大学;2006年
3 郭泰林;磷酸钙陶瓷表面微纳结构的制备及其生物学功能研究[D];西南交通大学;2016年
4 张聪;骨诱导磷酸钙陶瓷和体内骨组织工程研究[D];四川大学;2001年
5 廖其龙;磷酸钙生物活性陶瓷粉末的冲击波合成及活化改性研究[D];四川大学;2003年
6 张其翼;钛基表面钙磷涂层的制备和生物活性研究[D];四川大学;2003年
中国硕士学位论文全文数据库 前7条
1 何昆;高性能磷酸钙陶瓷纤维的制备与改性[D];北京化工大学;2016年
2 高全文;VEGF基因转染的骨髓基质细胞复合磷酸钙陶瓷成骨能力研究[D];中国人民解放军第四军医大学;2003年
3 邱萱;磷酸钙微纳米晶活性表面的构建及体外矿化性能研究[D];华南理工大学;2014年
4 孙兰英;体内组织工程骨骨相关基因表达的研究[D];四川大学;2007年
5 何丽泳;掺锶磷酸钙的制备及纤连蛋白对其表面矿化层形成影响研究[D];华南理工大学;2017年
6 蒋海兵;激光熔覆钙磷涂层中的稀土可控析出及其生物学性能[D];贵州大学;2015年
7 袁江;两种壳聚糖基复合水凝胶的比较研究[D];西南交通大学;2012年
中国重要报纸全文数据库 前1条
1 周忠华;超高强磷酸钙陶瓷的生产工艺[N];广东建设报;2007年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978