TiO2納結(jié)構(gòu)表面RGD吸附機(jī)理研究.pdf

1、鈦及鈦合金由于具有極佳的抗蝕性、生物相容性、骨融合性和生物功能性而被廣泛選做為生物醫(yī)用金屬材料。植入體的表面屬性(如表面結(jié)構(gòu)和表面粗糙度)影響細(xì)胞黏附、增殖和分化，最終決定組織的生長(zhǎng)質(zhì)量，是直接影響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納結(jié)構(gòu)，這正是生物分子吸附的活性區(qū)域，從而影響細(xì)胞與種植體表面的結(jié)合。本文借助分子動(dòng)力學(xué)方法從原子尺度研究生物分子的運(yùn)動(dòng)特性及鈦系材料表面納結(jié)構(gòu)對(duì)RGD和蛋白質(zhì)吸附的作用機(jī)

2、理，對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)及細(xì)胞在鈦系生物材料表面的吸附機(jī)理而言具有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值，為設(shè)計(jì)植入體表面結(jié)構(gòu)和表面肽圖案化進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞黏附提供理論基礎(chǔ)。
　　本文首先建立了TiO2納結(jié)構(gòu)吸附基質(zhì)，并根據(jù)分子動(dòng)力學(xué)模擬模型的特點(diǎn)，對(duì)Gibbs表面能計(jì)算式進(jìn)行了修正，以用于評(píng)估大規(guī)模復(fù)雜形貌表面的表面能。通過(guò)對(duì)TiO2表面基質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)和表面能的研究表明：為了更好地描述金紅石(110)、銳鈦礦(101)、(100)和(001)表面的表

3、面屬性，模型固定層外的單元層數(shù)分別至少需要4、2、2和1層；納結(jié)構(gòu)邊緣暴露更多未全配位不穩(wěn)定懸空鍵原子，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，納結(jié)構(gòu)表面的表面能明顯高于完美表面的表面能；為了獲得較高的表面能，對(duì)于金紅石(110)納結(jié)構(gòu)表面，可根據(jù)納結(jié)構(gòu)尺寸選擇去除水平方向的原子(小結(jié)構(gòu)選[110]方向，大結(jié)構(gòu)選[001]方向)，或沿[110]方向去除原子增加納結(jié)構(gòu)深度；對(duì)于銳鈦礦(10

4、1)納結(jié)構(gòu)表面，當(dāng)納結(jié)構(gòu)深度在1 nm內(nèi)時(shí)，表面能隨納結(jié)構(gòu)深度的增加而迅速增加。
　　隨后，建立了分子動(dòng)力學(xué)模擬TiO2納結(jié)構(gòu)表面RGD肽序列吸附模型，分析了TiO2表面RGD的吸附構(gòu)象和吸附機(jī)理，討論了表面納結(jié)構(gòu)和水分子對(duì)RGD吸附的影響。結(jié)果表明：水分子先到達(dá)親水性TiO2表面并占據(jù)吸附位，水氧與表面鈦鍵合形成穩(wěn)定的第一水合層，水氧與表面氧作用形成第二水合層；吸附水層也對(duì)RGD吸附起媒介作用，它們與RGD親水基團(tuán)形成氫鍵作用而

5、使RGD吸附于TiO2表面；RGD三肽的胍基C(NH2)2+、氨基NH3+和羧基COO?通過(guò)靜電作用和van der Waals作用與TiO2表面鍵合；金紅石TiO2(110)完美表面的五配位鈦被位于其上的表面橋氧所包圍，且水分子與五配位鈦結(jié)合，胍基為吸附基團(tuán)；納結(jié)構(gòu)表面有更多的吸附位和較高的表面能，RGD不僅可通過(guò)胍基和氨基迅速地吸附到表面，而且羧基也可擠走已與表面鈦吸附的水分子而與該表面鈦原子成鍵；高表面能的金紅石TiO2納結(jié)構(gòu)表面

6、比完美表面的RGD吸附更穩(wěn)定、更迅速、吸附能更高。
　　最后，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法進(jìn)一步研究了含RGD的纖連蛋白(FN)在TiO2表面的吸附，建立了TiO2表面蛋白質(zhì)吸附模型，討論了蛋白質(zhì)模擬平衡條件，分析了蛋白質(zhì)吸附機(jī)理及纖連蛋白不同取向、納結(jié)構(gòu)、表面能和水分子對(duì)其吸附的影響，提出了有利于細(xì)胞黏附的FN最佳取向。結(jié)果表明：系統(tǒng)勢(shì)能和蛋白質(zhì)RMSD及回轉(zhuǎn)半徑均趨于定值，納秒級(jí)的模擬時(shí)間可較好地反映蛋白質(zhì)在TiO2納結(jié)構(gòu)表面的吸附

7、過(guò)程；水溶液中的蛋白質(zhì)FN-III10通過(guò)二級(jí)結(jié)構(gòu)為β-轉(zhuǎn)角或不規(guī)則卷曲的帶電極性氨基酸與TiO2表面結(jié)合；對(duì)于水溶液系統(tǒng)的親水性TiO2表面，完美表面由于其表面原子分布形式，它們只能通過(guò)表面橋氧和水介質(zhì)與蛋白質(zhì)形成連接；而納結(jié)構(gòu)表面暴露了更多的未全配位懸空鍵原子，形成更多的吸附位，表面能也較大，它們與蛋白質(zhì)的結(jié)合才有可能形成其它連接形式，如Tis-OH2…OCOO--FN和Tis-OCOO--RGD形式；表面能高的納結(jié)構(gòu)表面，尤其是深