钛系生物材料表面微纳结构特征对蛋白质吸附的影响机制研究

The biomimetic modification of implanted material surface by adhesion protein is an imperative scientific problem, which is vital to the role of implant in repairing the bone defects and mimicking the function of natural bone. The proposal is based on the interaction mechanism between the material surface and the modifier protein. The influence of shape, dimension and orientation of micro-/nanostructures on the adsorption affinity, configuration stability and bioactivity of fibronectin adsorbed on the Ti-biomaterial surfaces will be investigated to gain the optimum characteristic parameters of micro-/nanostructures for the adsorption of protein with its native bioactivity. The adsorption competition among the components of simulation solution at the specific sites of micro-/nanostructured regions is to be analyzed to better understand the interface behaviors of adsorbed waters and ions, thereby evaluating the effect of space distribution and dynamical property of the interfacial solvent on the adsorption/desorption of proteins. The predetermined micro-/nanostructures on the Ti-material surfaces are intended to be mechanically fabricated by an atomic force microscope. The parameters of the specific micro-/nanostructures suitable for the adsorption of fibronectin, which are provided by the simulation results, will be verified and optimized according to the results of biological experiments. The biomimetic modification of micro-/nanostructured Ti-biomaterial surfaces by protein is expected to be realized effectively, providing the theoretical basis and parameters reference for the optimization design of the implanted material surface with high bioactivity and high specificity. Therefore, it is of very important scientific significance and practical value to achieve the research objective of this proposal.

可植入材料表面的黏附蛋白仿生修饰是关系到植入体能否实现骨缺损修复并模拟自然骨功能而亟需解决的重要科学问题。课题针对材料表面与修饰蛋白之间的相互作用机理，深入研究钛系生物材料表面微纳结构的形状特征、尺度阈值、空间取向等因素对纤连蛋白吸附亲和力、构型稳定性和生物活性的影响机制，获取适宜蛋白质吸附并保持生物活性的表面微纳结构特征；理论揭示溶液组分在微纳结构局部特征区域的吸附竞争机制，探讨界面离子和吸附水层在特定微纳表面的分布形式和动态特性，并分析相关因素对蛋白质功能基团吸附/脱附行为的影响程度；以原子力显微镜为实验手段，在钛系材料表面纳米机械加工出特定的微纳结构，通过生物实验对适宜纤连蛋白吸附的表面微纳结构特征进行实验验证和参数优化，实现蛋白质在材料表面的有效仿生修饰，为设计出具有高生物活性和生物特异性的植入材料表面提供理论基础和参数依据。因此，对其进行深入研究具有重要的科学意义与实用价值。

近年来，人类遭受关节退化性疾病的困扰日益严重，全球关节置换手术量预计在未来20年将增长5倍以上。作为发挥“弥补性”功能的人工关节而言，其植入体内后在替代自然关节功能的同时还需承载患者的重量，故提高植入体表面的生物相容性，促使其适应体内环境并与周围新生组织有机整合，是制约骨缺损介入性治疗发展和应用的技术瓶颈。为了最终将具有生物活性的黏附蛋白预先微图案化在植入体表面以实现生物改性，促进并空间指导成骨细胞在特定区域形成黏附，以期为植入体与软硬组织界面之间形成骨性结合提供技术支撑，本课题针对材料表面特性与黏附因子之间的相互作用机理开展了相关研究工作。利用分子模拟系统分析了基底表面微纳结构特征、表面带电性、表面羟基化程度以及溶液组分的界面分布态势等因素对肽链/蛋白质在金红石型TiO2表面吸附行为的影响机制，并结合细胞实验，深入考察了材料表面微观形貌对细胞生物学行为的影响情况。.通过本课题的研究，设计和建立了呈现不同纳米尺度结构特征的金红石基底表面，完成了表层原子电荷参数的计算，探讨了水分子在纳结构局部区域的分解模式，以及表面纳结构的引入对吸附水层分布形式和动态特性的影响程度。在纳结构和水环境共存前提下，首次实现了金红石基底表面的羟基化状态和电荷分布变化的定量表征。理论分析了表面纳结构的类型、形状特征、分布取向，以及表面带电性和羟基化程度等因素对肽链/蛋白质吸附模式和吸附稳定性的影响机制。在丰富和拓展模拟溶液成分基础上，从微观角度解析了体液中常规无机离子的本征特性、扩散机理，及其在金红石基底表面的吸附模式和界面分布趋势，阐明了不同类型离子与肽链/蛋白质中带电功能基团之间的吸附竞争和吸附介导机制，以及水层分布模式变化所引起的功能基团与基底表面相互作用模式的转变情况。通过实验手段制备出了规则分布的表面结构，并获得了表面结构几何参数对成骨细胞空间分布的影响规律，总结评价了材料表面粗糙程度与细胞增殖、黏附效率之间的关系趋势，阐明了表面拓扑结构特征对细胞生长产生“接触引导”作用的潜在机理。.在本课题的研究过程中，共计发表SCI期刊论文4篇，影响因子总和为13.9/2014，单篇影响因子最高为6.7/2014，参加境外国际学术会议2人次，培养哈尔滨工业大学青年拔尖人才支持计划入选者1人，博士研究生国家奖学金获得者1人，省级“优秀毕业研究生”1人，校级优秀博士学位论文获得者1人。