生物材料表面拓扑对于蛋白质特异性吸附作用的研究

Design and development of biomaterial with specific inducibility which will stimulate the regeneration of the correspondence human tissues is an important development direction of modern biomaterials. The surface topology of biomaterial determines its surface properties to a great extent, and influences the interactions with proteins in human, and eventually determines the following cell response and tissue growth. However, we still do not have a deep understanding of the mechanism between surface topology of biomaterial and protein until now, and therefore hinders the development of modern biomaterials. In this project, biomaterial with specific inducibility will be studied based on the design of its surface topology. Aiming at the key problems in this research, we will first develop a software platform and a coarse-grained force field for the biointerface simulation, so the acting mechanism between biomaterial and protein can be revealed at the molecular level. Then, a rational optimization model of surface topology of biomaterial will be determined based on the previous research results, and the optimization problem will be solved according to a chose biomaterial, so that the biomaterial can have a specified adsorption function to the target protein, and the design and development of modern biomaterial can be guided.

设计开发具有特异诱导性的生物材料，使其能够针对性的激发人体相应组织和器官的再生修复功能，是现代生物材料学的重要发展方向。生物材料表面拓扑结构在很大程度上决定了材料的表面性质，并影响其与人体内蛋白质的相互作用，以至决定了后续的细胞响应以及组织生长，但目前对材料表面拓扑与蛋白质之间的作用机理还缺乏深入的了解，阻碍了现代生物材料研究的发展。本项目拟基于生物材料的表面拓扑设计来进行具有特异诱导性功能生物材料的研究。针对研究中的关键问题，我们拟首先开发一个针对生物界面模拟的软件平台以及粗粒度力场，以在分子水平上深入考察生物材料表面拓扑与蛋白质之间的作用机理；然后根据上一步的研究成果来建立生物材料表面拓扑结构优化的合理模型，并针对选定的生物材料进行优化求解，使其对目标蛋白具有特异性吸附功能，以最终能够指导现代生物材料的开发设计。

本项目立足发展先进生物材料的需要，重点研究了生物材料表面结构对于蛋白质的特异性吸附作用。根据原研究计划，本项目首先建立了金红石（110）晶面与纤连蛋白（FN-III10）相互作用体系的全原子模型，并考察了金红石纳米尺度表面结构对于纤连蛋白吸附的影响，研究结果显示金红石表面纳米结构对于纤连蛋白吸附的取向和稳定性有着显著影响，并揭示了其影响规律和机理，为生物材料的表面设计提供了依据和指导作用。其次，针对模拟生物大分子以及其复合物在生物材料上的吸附界面作用时，因生物大分子具有较高的自由度，所以其模拟时间尺度以及空间尺度通常受到很大限制，远远不能满足实际的需要，设计了一种新型的蛋白质粗粒度模型，并且开发了相应的粗粒度力场，模拟结果显示了本方法大幅度提高了蛋白质模拟的效率，并具有较高的模拟精度，显示了该粗粒度策略以及相应力场的有效性。再次，搭建了一个生物材料界面模拟云计算平台，此平台包含了典型生物材料结构以及典型界面模拟的分子力场，同时该平台可为用户提供生物界面模拟分析所需的软、硬件资源，利用该平台可以加快开发过程，简化使用方式，促进研究成果的传播以及应用。此外，针对蛋白与生物材料的界面结合自由能预测难题，本项目发展了多种结合自由能预测方法。其中，基于非平衡分子动力学的自由能预测方法克服了基于Jarzynski方程的自由能预测方法计算效率低的缺点，具有广阔的应用前景。基于能量全景图的自由能预测方法，能快速、准确地计算预测配体与受体的结合亲和力及动力学参数，有望推广到生物材料领域来指导以及设计生物材料的表面性质。本项目通过设计开发新的模拟体系、算法以及模型，使其适应生物材料模拟与分析的需要，以获得更为精确的模拟结果，并用以指导先进生物材料的设计，其实施为数值模拟计算在生物材料设计中的应用提供了有力的支撑。