磷酸鈣生物陶瓷表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與蛋白質(zhì)特異性吸附.pdf

1、生物材料植入體內(nèi)后的初始事件是蛋白質(zhì)在植入體表面的吸附，吸附的蛋白質(zhì)對于隨后的細(xì)胞行為以及植入體的最終效果起著十分重要的作用。磷酸鈣生物材料具有與人體骨組織的無機成分相似的特點而被廣泛用作骨修復(fù)替換材料，其優(yōu)良的生物學(xué)性質(zhì)已得到了充分的證實。因此磷酸鈣生物材料的蛋白質(zhì)吸附行為，尤其是對骨相關(guān)蛋白質(zhì)的特異性吸附是目前生物材料科學(xué)基礎(chǔ)研究的前沿課題，對于揭示磷酸鈣生物材料生物活性本質(zhì)和骨誘導(dǎo)機理具有非常重要的意義。 由于以往的研究大

2、多集中在單一的羥基磷灰石(HA)上，而且普遍使用的是體外單一蛋白體系，對于不同組成和結(jié)構(gòu)的磷酸鈣生物材料蛋白吸附的機理認(rèn)識不充分，尤其是不同蛋白質(zhì)之間的競爭吸附本質(zhì)及其與材料本身的化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系方面沒有給出確切的信息。因此本文從單蛋白、雙蛋白和血清蛋白吸附以及體內(nèi)擴散盒植入出發(fā)，系統(tǒng)地研究不同組成和結(jié)構(gòu)的磷酸鈣陶瓷的體內(nèi)外蛋白吸附行為，初步探討了磷酸鈣陶瓷蛋白吸附的機理，揭示了不同組成和結(jié)構(gòu)磷酸鈣陶瓷在蛋白吸附行為的相似性和相

3、異性。 蛋白吸附行為由材料和蛋白質(zhì)本身的性質(zhì)所決定。材料表面電位、化學(xué)吸附位點、親水性等表面化學(xué)性質(zhì)是影響其表面蛋白質(zhì)吸附的重要因素；蛋白質(zhì)本身結(jié)構(gòu)、表面電荷、分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、柔性等也是影響其在材料表面吸附的重要因素。 由于磷酸鈣陶瓷組成和結(jié)構(gòu)及表面性質(zhì)上的上的相似性，決定其具有相似的蛋白吸附行為。根據(jù)接觸角和Zeta電位測試結(jié)果，磷酸鈣陶瓷具有一定的表面疏水性，在生理pH條件下它們具有負(fù)的表面Zeta電位。光電子能譜(

4、XPS)分析結(jié)果顯示牛血清白蛋白(BSA)吸附導(dǎo)致磷酸鈣陶瓷顆粒表面Ca和P周圍結(jié)合原子的鍵合情況發(fā)生了較為明顯的改變，證實磷酸鈣陶瓷的兩種吸附位點(帶正電的C點和帶負(fù)電的P點)都與：BSA的吸附有關(guān)。 根據(jù)BSA在磷酸鈣陶瓷顆粒表面的吸附結(jié)果，BSA在磷酸鈣陶瓷顆粒表面的吸附都是一個非常快速的過程，可以用一級反應(yīng)式來描述，同時還可以用Langmuir型吸附等溫式來預(yù)測BSA在磷酸鈣陶瓷表面的吸附行為。HA和雙相磷酸鈣(BCP)

5、陶瓷顆粒在表面疏水性和Zeta電位上的差異是它們具有不同BSA吸附能力的主要原因。磷酸鈣陶瓷顆粒表面的BSA飽和吸附量都遠(yuǎn)低于理論計算值，因而具有較低的表面蛋白覆蓋率。BCP比HA有更小的表面Zeta電位絕對值而對BSA的吸附阻礙更小；同時BCP較強的表面疏水性可促使更多的BSA分子在BCP陶瓷顆粒表面吸附聚集。因此，BCP陶瓷比HA有更強的BSA吸附能力。材料表面的Zeta電位隨溶液組成、pH值、離子強度等因素影響，并影響材料表面的蛋

6、白吸附能力，二者的變化之間具有一定的相關(guān)性，可以通過磷酸鈣陶瓷顆粒和BSA之間的靜電作用來給予解釋。根據(jù)不同溶液條件下磷酸鈣陶瓷顆粒的表面Zeta電位測試和BSA吸附實驗結(jié)果，HA、BCP和β-磷酸三鈣(β-TCP)三種磷酸鈣陶瓷的表面Zeta電位和BSA吸附量隨溶液環(huán)境變化時都會產(chǎn)生相類似的變化規(guī)律。OH<'+>、PO<,4><'3->和Ca<'2+>是磷酸鈣陶瓷的電勢決定離子，溶液中pH值、PO<,4><'3->和Ca<'2+>濃度

7、的變化決定磷酸鈣陶瓷顆粒表面Zeta電位的極性和絕對值的大小，同時對BSA吸附量也會產(chǎn)生較大的影響；Na<'+>和Cl<'->雖然不是磷酸鈣陶瓷的電勢決定離子，但是其濃度變化引起溶液離子強度的改變也會在一定程度上影響磷酸鈣陶瓷顆粒的表面Zeta電位和BSA吸附，只不過這種影響要受到溶液中那些電勢決定離子的制約。 BSA和溶菌酶(LSZ)在HA、BCP和β-TCP三種磷酸鈣陶瓷顆粒表面具有類似的競爭吸附行為， LSZ比BSA在磷酸

8、鈣陶瓷顆粒表面有更高的吸附率，磷酸鈣陶瓷對LSZ表現(xiàn)出更高的吸附親和性。由此可以預(yù)測體液中的那些骨生長因子如BMP-2和TGF-β1等盡管含量很低，但是磷酸鈣陶瓷對它們高的吸附親和性極有可能使它們在磷酸鈣陶瓷表面吸附聚集，這無疑對磷酸鈣陶瓷骨誘導(dǎo)機理的解釋是一個很好的補充。無論是在PBS還是在SBF中，隨BSA/LSZ雙蛋白體系中BSA和LSZ的濃度比例的不同，BSA和LSZ在磷酸鈣陶瓷顆粒表面的競爭吸附過程有所差異。當(dāng)體系中BSA和L

9、SZ的濃度相當(dāng)時，具有較低分子量的LSZ由于具有較大的擴散系數(shù)而先于BSA之前達(dá)到磷酸鈣陶瓷顆粒表面并發(fā)生吸附，但是由于LSZ和BSA之間的靜電吸引和磷酸鈣陶瓷顆粒表面空余的吸附位點的存在，BSA仍然能夠在表面吸附，只是吸附量較小。隨著體系中BSA濃度比例的提高，磷酸鈣陶瓷顆粒表面的初始蛋白吸附就逐漸變成以BSA吸附為主。但是由于高濃度條件下BSA分子的構(gòu)象改變程度較小，使得BSA和磷酸鈣陶瓷顆粒表面的相互作用變?nèi)?。而LSZ由于與磷酸鈣

10、陶瓷顆粒表面的吸附親和性更強，隨著時間的增長，先吸附的BSA分子就可能被后到達(dá)的LSZ所取代。因此，當(dāng)體系中LSZ濃度一定的時候，LSZ在磷酸鈣陶瓷顆粒表面的吸附幾乎不受不受溶液中BSA濃度變化的影響。由于LSZ與骨生長因子蛋白有類似的分子量大小和電性質(zhì)，由此可以預(yù)測體液中的那些骨生長因子如BMP-2和TGF-β1等盡管含量很低，但是磷酸鈣陶瓷對它們高的吸附親和性極有可能使它們在磷酸鈣陶瓷表面吸附聚集。陶瓷孔隙結(jié)構(gòu)對于其表面蛋白吸附具有

11、重要影響。對多蛋白吸附體系，陶瓷表面同時表現(xiàn)出多層蛋白吸附行為。根據(jù)體外血清浸泡和體內(nèi)擴散盒植入條件下不同表面結(jié)構(gòu)磷酸鈣陶瓷的蛋白吸附結(jié)果，相對于比表面積而言，磷酸鈣陶瓷的孔結(jié)構(gòu)大小和孔隙率對于其蛋白吸附量有著很大的貢獻，其多孔結(jié)構(gòu)特征大大提升了磷酸鈣陶瓷的蛋白吸附能力。在體外血清蛋白吸附條件下磷酸鈣陶瓷表面的蛋白吸附并不是純粹的單分子層蛋白吸附，而是表現(xiàn)出多層蛋白吸附行為。 磷酸鈣陶瓷不僅能夠吸附血液和組織液中那些含量比較高的

12、蛋白質(zhì)，而且對于Fibeonectin和TGF-β1這些與成骨密切相關(guān)的功能蛋白質(zhì)也表現(xiàn)出較強的吸附能力。通過DS-PAGE電泳分析、Fibeonectin的免疫印跡分析和TGF-β1的ELISA定量分析結(jié)果顯示，在體內(nèi)擴散盒植入條件下磷酸鈣陶瓷能夠富集TGF-β1等生長因子蛋白，它們的TGF-β1吸附量隨著吸附時間的延長而有顯著的提高。HA、BCP和β-TCP在吸附的TGF-β1量上存在一定的差異，β-TCP的相對吸附量低于HA和BC