基于原子水平的磷酸钙与骨相关蛋白相互作用机制的研究

The interaction behavior between calcium phosphate and proteins has a significant impact on the biological properties of calcium phosphate biomaterials. However, its mechanism is not yet clear. Theoretical, experimental and molecular mechanics simulation methods have been widely applied in the study of the mechanism of calcium phosphate-protein interactions, but a systematic research is rarely reported, especially for a series of bone-related proteins and different calcium phosphate. Thus, it needs studying further, especially at the atomic level. The preliminary study of applicant found that in the process of protein adsorption onto the surface of calcium phosphate materials, calcium and phosphorus ions can be enriched and nucleated on the protein; protein adsorption and its regulation of calcium phosphate crystallization affect the biological properties of the material together. Reasonably, this project intends to adopt a combination method of molecular/quantum mechanics simulation technology and in vitro/in vivo experiments to analyze the adsorption behavior and energy, the structure of adsorption sites, adsorption methods, protein conformational change, the properties of calcium and phosphorus ions enrichment and crystallization, and the structure of calcium phosphate nuclei etc. It is in order to investigate the interaction behavior between calcium phosphate and bone-related proteins, and its effect on the biological properties of calcium phosphate, further clarify the interaction mechanism at the atomic level. Its results will provide a reliable theoretical basis and experimental data to further explain the mechanism of bioactivity and osteoinductivity of calcium phosphate biomaterials. The implementation of this project has an important guiding significance for the investigation and preparation of next generation calcium phosphate biomaterials and related biomedical engineering products which have excellent osteoinductivity.

蛋白质与磷酸钙的相互作用行为对磷酸钙的生物学性能有重要影响，然而其机理尚未明确。理论、实验和分子模拟方法已广泛应用于其机制的研究，但是普遍缺乏系统性，特别是针对一系列骨相关蛋白和不同磷酸钙，在原子水平上的研究有待进一步深入。申请者前期研究发现在蛋白质吸附到磷酸钙材料表面的过程中伴随着钙磷离子在蛋白质上的富集成核;蛋白质吸附与其对磷酸钙成核生长的调控共同影响材料的生物学性能。本课题拟采用分子/量子力学联合模拟技术与体内外实验相结合的方法，分析吸附行为及能量、吸附位点结构、吸附方式、蛋白构象、磷酸钙富集成核生长特点、晶核结构等，研究骨相关蛋白质与磷酸钙相互作用行为，在原子水平上阐明其相互作用机制以及其对磷酸钙生物学性能的影响，为进一步解释磷酸钙生物活性和骨诱导机理提供可靠的理论依据和实验数据支持。项目成果对于研究和制备下一代具有优良骨诱导性磷酸钙生物材料和相关生物医学工程产品具有重要指导作用

本项目从理论、实验、计算模拟多角度在原子水平上考察了蛋白质与磷酸钙生物材料的相互作用行为。首先实现了磷酸钙系列无机物的力场计算和验证，并成功合并到蛋白模拟相关的力场中。通过实验验证和解释了蛋白质对磷酸钙沉积层晶体形貌尺寸，沉积速度，相组成等方面的调控机理。同时通过分子动力学和量子力学方法计算模拟在原子水平上考察了蛋白质在HA不同晶面的吸附行为及选择性吸附行为，从而解释了蛋白质对磷酸钙沉积物晶体形貌调控的机理；模拟蛋白质可通过改变界面能来调控磷酸钙的成核效率，与理论计算相互验证；在蛋白质诱导成核方面，模拟结果显示氨基端结合磷酸根的体系更稳定，结合强度也高于羧基端结合钙离子。氨基端与磷酸根离子的结合更有利于成核，酸碱残基相互配合最有利于磷酸钙成核生长，蛋白质的酸碱残基分布(序列)以及其构象对诱导钙磷沉积有重要影响；对于沉积的Ca-P离子集结构，结果显示蛋白质的存在可提高HA的形成几率。另一方面，采用分子动力学方法观察到HA表面对吸附的BMP2的构象有一定的固定作用，防止了其活性位点的包覆。同时将BMP2的功能在磷酸钙陶瓷上做了应用，在多孔双相磷酸钙陶瓷表面制备了壳聚糖/硫酸软骨素包裹的骨形态发生蛋白BMP2的纳米颗层，在保持BMP2活性的基础上，实现了BMP2的缓慢释放，研究了其在体内外的诱导成骨情况及对双相磷酸钙陶瓷成骨性能的促进作用。本项目通过系统考察蛋白质与磷酸钙生物材料的相互作用行为，在原子水平上得到了一系列结果和信息对进一步解释磷酸钙骨诱导性机理具有巨大帮助作用，对指导新一代磷酸钙骨诱导生物材料具有指导意义。