钛系生物医用材料表面纳结构修饰的分子机制与设计优化

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
51105392
项目类别：
青年科学基金项目
资助金额：
25.0万
负责人：
宋代平
依托单位：
重庆大学
学科分类：
E0505.机械摩擦学与表面技术
结题年份：
2014
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2014-12-31

项目参与者：
谢志江；李诚；孟东东；沈敏圣；王成；
关键词：
设计优化纳米结构钛系生物医用材料分子动力学生物分子

项目摘要

针对广泛应用的钛系生物医用材料，其表面结构与生物组织的作用界面直接关系到植入手术的成功与否，然而实验研究无法实时分析生物分子的吸附过程，不能充分研究生物分子与其吸附活性区域纳结构的作用机理。本项目采用分子动力学方法研究钛系生物医用材料表面纳结构修饰的分子机制并对修饰结构设计优化。主要研究内容包括：通过构建纳结构修饰表面与生物分子系统的全原子界面模型，深入分析分子时空分布及其相互作用，研究生物分子系统与基质表面吸附初期的沉积机理和竞争效应机制；全面分析生物分子的吸附构象、取向及与纳结构的微观作用机理，揭示表面纳结构修饰的分子机制；综合分析纳结构特征及其对表面属性的影响规律，结合生物分子的吸附目标，对表面修饰结构设计优化，提出有利于生物分子作用的表面形貌和纳结构。本项目的研究将为生物材料界面问题的研究、设计制造适宜的植入体表面结构提供理论基础和依据，以此缩短植入体的愈合期、提高植入成功率。

结项摘要

钛及钛合金由于具有极佳的抗蚀性、生物相容性、骨融合性和生物功能性而被广泛选做为生物医用金属材料。植入体的表面属性是直接影响植入是否成功的重要因素。表面微结构包含材料的本身缺陷和纳结构，这正是生物分子吸附的活性区域，从而影响细胞与种植体表面的结合。本项目采用分子动力学方法研究钛系生物医用材料表面纳结构修饰的分子机制，取得的主要研究结果如下。.1. 本项目构建了钛系生物材料表面与生物分子吸附的全原子模型，研究发现表面只存在桥氧空位和表面五配位钛空位，钛空位表面表面能稍大于氧空位表面，均与空位密度的增加成二次方程增加。仅1类和4类纳米台阶可形成多层稳定的纳米台阶表面和纳米沟槽表面，且由1类和4类纳米台阶形成的纳米结构表面表面能相等，与平面方向的台阶或沟槽宽度无关，与其纳结构深度的增加成线性增加。.2. 水分子先到达亲水性TiO2表面并占据吸附位，即水氧与表面钛键合而形成稳定的第一水合层，水氧与表面氧作用而形成第二水合层；除了与生物分子竞争吸附位之外，吸附水层也对生物分子吸附起媒介作用，它们与生物分子亲水基团形成氢键作用而使生物分子吸附于TiO2表面。.3. 对于水溶液系统的亲水性TiO2 表面，完美表面由于其表面原子结构分布形式，即暴露的表面五配位钛由位于其上的表面桥氧包围，它们只能通过表面桥氧和水介质与生物分子形成连接；而纳结构表面暴露了更多的未全配位悬空键原子，形成更多的吸附位(如二配位氧、五配位钛、四配位钛和三配位钛等)，表面能也较大，它们与生物分子的连接才有可能形成生物分子羧基与表面钛或与钛吸附水的连接形式，而且尤以纳结构边缘的吸附位优先。.4. 生物分子的胍基、氨基和羧基通过静电和范德华作用与TiO2表面键合，是与TiO2表面键合的主要基团；水溶液中的生物分子通过二级结构为b-转角或不规则卷曲的带电极性氨基酸与TiO2 表面结合；对于高表面能表面的多个吸附基团的情况，先由生物分子底部的一个二级结构为b-转角或不规则卷曲的带电极性氨基酸与表面结合，通过生物分子构象的旋转调整，与表面接近的其它二级结构为b-转角或不规则卷曲的带电极性氨基酸再吸附于表面。.5. 表面能较高的纳结构表面且不全配位程度高的原子其生物分子的吸附官能团更多、吸附更稳定、更迅速。