【摘 要】
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羟基磷灰石(HA)作为硬组织的主要无机成分已经在骨修复和骨再生领域得到广泛应用.HA生物材料植入体内后与服役微环境的相互作用对其骨诱导再生性能和最终的修复效果有决定性影响.一方面,蛋白质以及生长因子在生物材料表面的吸附性能对其生物学特性中起着关键的作用.服役微环境下,钙离子(Ca)和磷酸根(P)离子参与蛋白质的吸附过程,并影响蛋白质的吸附行为.另一方面,蛋白质也参与类骨磷灰石在生物材料表面的沉积,
【机 构】
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四川大学 国家生物医学材料工程技术研究中心,四川成都 610064
【出 处】
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第十一届全国表面工程大会暨第八届全国青年表面工程学术会议
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羟基磷灰石(HA)作为硬组织的主要无机成分已经在骨修复和骨再生领域得到广泛应用.HA生物材料植入体内后与服役微环境的相互作用对其骨诱导再生性能和最终的修复效果有决定性影响.一方面,蛋白质以及生长因子在生物材料表面的吸附性能对其生物学特性中起着关键的作用.服役微环境下,钙离子(Ca)和磷酸根(P)离子参与蛋白质的吸附过程,并影响蛋白质的吸附行为.另一方面,蛋白质也参与类骨磷灰石在生物材料表面的沉积,为钙磷离子的富集成核以及沉积生长提供位点或者模板.因此,在原子分子尺度上考察HA与服役微环境的相互作用对解释其生物学性能有重要意义.本研究采用分子动力学方法和密度泛函理论(DFT)计算模拟了钙磷离子对特征酸碱蛋白质(血清蛋白和溶菌酶)在HA(001)、(100)、(110)表面吸附行为的影响；考察蛋白质序列对钙磷离子富集成核的影响以及钙磷离子集与蛋白质残基基团的结合方式.结果 表明,HA更有利于碱性蛋白的吸附.HA(110)表面对酸性蛋白有特异性吸附.碱性残基在吸附过程中比酸性残基起着更重要的作用,比酸性残基表现出更高的吸附能,同时更趋向于结合溶液中的磷酸根离子.另外,当一定尺寸钙磷离子集稳定存在下,可能会导致蛋白质从HA表面解吸附.DFT计算结果表明,绑定的类型主要是离子键(-COO-Ca)和氢键,但N(Arg)–Ca、C(Arg)-O可能也参与了吸附过程.HA表面的电荷分布和空间匹配在蛋白质吸附过程中起着至关重要的作用.钙磷离子在蛋白上富集成核主要取决于–COO、–NH2和NH3基团,它们之间的结合方式由于不同的蛋白结构而呈现多样性.氮-磷酸根方式比碳-钙离子方式更稳定.蛋白质上酸性/碱性残基的交替序列更有利于钙磷离子的诱导成核.本研究结果为在服役微环境下解释HA系列生物材料的生物学性能提供了原子/分子水平上的重要信息,也有助于利用材料基因组的思想来设计具有特定表面特性的新一代磷酸钙生物材料,极大的优化其生物学性能.
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