醫(yī)用材料生物學基礎(chǔ)－蔡偉第五章蛋白質(zhì)-材料表面相互作用.ppt

1、蛋白質(zhì)-材料表面相互作用,哈爾濱工業(yè)大學 材料物理與化學系,蛋白質(zhì)-材料表面相互作用,蛋白質(zhì)和材料的表面性能 蛋白質(zhì)吸附與脫附 蛋白質(zhì)構(gòu)象的變化 多元溶液中的相互作用,蛋白質(zhì)在材料表面的行為對于確定組織植入物界面的性質(zhì)起著非常重要的作用 表面吸附的蛋白質(zhì)影響凝血、補體激活、細菌及細胞黏附 表面吸附的蛋白質(zhì)也影響材料的表面性能與降解性 介紹蛋白質(zhì)吸附的基本原理以及蛋白質(zhì)和材料表面性質(zhì)對固體表面的蛋白質(zhì)行為的影響,分子和底物的性質(zhì)在決定蛋白質(zhì) 表面相互作用時的重要作用示意,一、蛋白質(zhì)和材料的表面性能,影晌與材料表面相互作用的蛋白質(zhì)性能,影響材料表面活性的蛋白質(zhì)性能與蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)有關(guān)，即氨基酸的

2、序列影響蛋白質(zhì)-材料表面的相互作用 較大的分子易于與材料表面發(fā)生相互作用，因為它們可以有更多的位點與材料表面接觸,蛋白質(zhì)的尺寸對蛋白質(zhì)與材料 表面相互作用的影響,蛋白質(zhì)尺寸的影響,例如白蛋白分子(67kDa)與氧化硅底物形成77個接觸點，而每個纖維蛋白原(340kDa)分子則形成703個接觸點 然而，尺寸并不是決定性的，球蛋白(65kDa)較其尺寸大得多的纖維蛋白原顯示出更大的表面活性。,蛋白質(zhì)的尺寸對蛋白質(zhì)與材料 表面相互作用的影響,蛋白質(zhì)電荷的影響,帶電荷的氨基酸具有親水性，通常位于蛋白質(zhì)的外面，并易于與表面發(fā)生作用 這種電荷及其在蛋白質(zhì)表面分布能夠在很大程度上影響蛋白質(zhì)的吸附 然而類似于

3、尺寸的影響，電荷也不是惟一的決定因素 有趣的是蛋白質(zhì)常在近等電位點表現(xiàn)出很大的活性(蛋白質(zhì)分子顯示出零凈電荷時介質(zhì)的pH計為pI)。,與蛋白質(zhì)伸展有關(guān)的性能也會影響其在材料表面的吸附 蛋白質(zhì)的伸展傾向于暴露更多與材料表面接觸的位點 增加伸展的程度和速率都可導致更大的表面活性,蛋白質(zhì)的伸展對蛋白質(zhì)與材料表面相互作用的影響,蛋白質(zhì)伸展的影響,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,穩(wěn)定性差的蛋白質(zhì)或分子間交聯(lián)較少的蛋白質(zhì)傾向于伸展更多或更快,表面活性大 例如，血紅蛋白中的谷氨酸被疏水的纈氨酸替代使S血紅蛋白穩(wěn)定性降低，不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)因而溶解較少，導致纖維性析出而使紅血細胞破壞。,蛋白質(zhì)的雙歧性分子性質(zhì)及其氨基酸的

4、極性、非極性、荷電性也對材料的表面活性有影響,親水的、極性的和荷電的氨基酸位于分子外部 而疏水的殘基在分子內(nèi)部并不是絕對的，疏水的氨基酸也可位于蛋白質(zhì)分子外部以與表面進行相互作用 另外，蛋白質(zhì)的伸展可暴露疏水區(qū)域而與表面發(fā)生相互作用。,分子和底物的性質(zhì)在決定蛋白質(zhì) 表面相互作用時的重要作用示意,影響與蛋白質(zhì)相互作用的材料表面性能,材料表面性能,幾何因數(shù),底物的表面具有較多的形貌特征，可在與蛋白質(zhì)的相互作用時暴露更多的表面區(qū)域 例如與平整的表面相比，有溝槽和坑的表面具有更大的表面積，其他的表面特征如加工痕跡可為與蛋白質(zhì)的相互作用提供額外位置,化學成分,表面化學成分將決定何種功能基團適合于與生物分

5、子相互作用 金屬生物材料氧化的(鈍化的)表面暴露金屬離子與氧離子。類似地，陶瓷和某些玻璃表面包含金屬離子和非金屬離子 不同的功能基團，如氨基、羧基、羰基和原子團均可存在于聚合物生物材料表面 生物分子(或甚至分子的部分區(qū)域)對不同表面有不同親和性取決于暴露何種基團。例如，疏水表面傾向于結(jié)合更多蛋白質(zhì)而使結(jié)合更牢固。,微觀組織結(jié)構(gòu),在微觀尺度上，生物材料表面可以是不均勻的 生物材料表面可存在不同功能性的微疇，這些微疇可以與生物分子進行不同的作用 例如，許多金屬生物材料至少有兩相，如Ti-6A1-4V中的相和相，不僅不同的相與生物分子作用的行為可以不同，而且晶界和晶內(nèi)與生物分子的作用行為也不同 對聚

6、合物而言，大分子鏈的折疊引起的分聚提供了不同的微疇結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)對這些疇有不同的親和性取決于不同疇內(nèi)存在不同的化學物質(zhì)。,二、吸附與脫附,吸附是分子黏附到固體表面的過程，蛋白質(zhì)-表面相互作用導致局部蛋白質(zhì)的高濃度，可較均勻溶液高1000倍 這種蛋白質(zhì)的聚集，尤其是特定的蛋白質(zhì)在材料表面的聚集，在組織-植入體界面相互作用中起著決定性的作用。,除上面所述材料的表面性能和蛋白質(zhì)性能之外，吸附也取決于分子與底物作用的效率 分子被吸附到表面可由4種傳輸機理中的一種或多種起作用。擴散；熱對流；流動；互傳輸，如對流和擴散的相結(jié)合 濃度、速度和分子尺寸對決定到達材料表面的蛋白質(zhì)分子是重要的,以考慮擴散的影響為例

7、，簡單的擴散可由以下公式描述：,n是蛋白質(zhì)在材料表面的濃度；C0是蛋白質(zhì)的體濃度；t是時間,C是濃度；D是擴散系數(shù)； x是距離；t是時間,在短時間和吸收率與擴散率相等的條件下：,上式表示高的體濃度和或高的擴散系數(shù)(與分子尺寸成反比)導致到達材料表面的分子數(shù)量大 在對流也存在的情況下，導致對流擴散，這取決于界面的幾何狀態(tài)，數(shù)學處理變得復雜,對于存在薄的通道流動的情況下：,式中，是流動速度；x是在通道中的流動距離；y是在流動通道的高度范圍內(nèi)的位置；是壁的剪切率；b是通道的高度。 采用適當?shù)倪吔鐥l件后，方程式可以用數(shù)值方法解出。,蛋白質(zhì)存在于材料表面，蛋白質(zhì)分子可以分子間力的方式與底物發(fā)生相互作用，

8、如離子鍵、疏水反應(yīng)以及電荷傳遞反應(yīng) 氫鍵在蛋白質(zhì)-表面相互作用中不起主要作用 由于水易形成氫鍵，它與表面形成氫鍵就像蛋白質(zhì)分子中的氨基酸與材料表面形成氫鍵一樣容易 分子間力對蛋白質(zhì)-表面相互作用的控制取決于特殊的蛋白質(zhì)和表面,即使對于含單一蛋白質(zhì)的溶液，蛋白質(zhì)吸附層也似乎是不均勻的 當分子吸附于清潔表面時，它們與底物的作用有少量限制，每一個分子可與表面形成許多種接觸 由于表面被占，適合于吸附隨后的蛋白質(zhì)的表面較少。繼而分子可能以不同的取向結(jié)合到材料表面，即使是在較少蛋白質(zhì)-材料接觸情況下，不同的取向也可使蛋白質(zhì)避免或減少對先結(jié)合的分子間排斥作用。,蛋白質(zhì)占據(jù)材料表面對隨后蛋白質(zhì)分子吸附的影響,

9、除適合的接觸面積外，因為蛋白質(zhì)分子和材料表面的非均勻性，蛋白質(zhì)可以不同取向存在于材料表面(圖3-5) 蛋白質(zhì)在材料表面形成不同取向，使表面與蛋白質(zhì)密切接觸，可帶來附加的相互作用 例如，雙歧性蛋白極化的、非極化的和帶電荷的氨基酸可與具有不同顯微結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)的生物材料表面發(fā)生不同的相互作用。,由于蛋白質(zhì)和材料表面的不均勻性使吸附的蛋白質(zhì)具有不同的取向,吸附蛋白質(zhì)的不同取向不僅影響與材料表面結(jié)合的蛋白質(zhì)數(shù)量，而且具有顯著的功能區(qū)別 考慮一種酶或一種蛋白質(zhì)，例如，纖連蛋白吸附于生物材料，取決于分子的取向 酶的催化活性所需要的活性位點可能無法“開啟”，與材料的相互作用及活化位點的啟動被相鄰分子所阻止(

10、空間立體阻礙) 類似地，如果纖連蛋白含RGD(圖2-19)的部分不能與細胞發(fā)生相互作用，蛋白質(zhì)就不能支持細胞的貼附。,脫附是吸附的逆過程，已經(jīng)結(jié)合于表面的分子可脫離表面回到體相中 當發(fā)生脫附時，蛋白質(zhì)與材料表面的所有接觸必須同時斷開(圖3-6)。,蛋白質(zhì)的脫附需要蛋白質(zhì)與表面所有的鍵合同時斷裂,對小分子(如氣體)的脫附已經(jīng)被很好地表征，而蛋白質(zhì)的脫附是緩慢的或不存在的，除非界面環(huán)境發(fā)生巨大的變化，例如增加離化強度、降低pH、使用清潔劑等 蛋白質(zhì)吸附在很大程度上是不可逆的，因為這需要在分子與表面之間的所有相互作用同時解離。對于大的蛋白質(zhì)，所有的接觸同時斷開很困難或不可能，因為大的蛋白質(zhì)與材料的鍵

11、合量很大 考慮纖維蛋白原的吸附，如果纖維蛋白原要脫附，全部與材料的接觸點必須同時斷裂 然而吸附的蛋白質(zhì)可被相同的或不同的蛋白質(zhì)所替代。,三、構(gòu)象的變化,蛋白質(zhì)具有柔性的鏈，這些鏈卷繞、折疊、彎曲成一種特殊的構(gòu)象(三維結(jié)構(gòu)) 微環(huán)境(如pH、離子化強度)的變化可改變蛋白分子的構(gòu)象 類似地，在與固體表面的相互作用過程中，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)也可改變 蛋白質(zhì)構(gòu)象可能改變，盡管活性水平可能有所下降，但是吸附蛋白質(zhì)通常至少保持它們的一些活性 例如吸附的酶保持催化性能、吸附的抗體保持與抗原結(jié)合的能力,發(fā)生構(gòu)象變化的模型有兩種: 1.蛋白質(zhì)分子可經(jīng)歷與時間相關(guān)的分子鋪展(圖37) 開始，蛋白分子可以蛋白質(zhì)外的氨基酸

12、與材料表面少量位點接觸，隨著時間延長，蛋白分子與表面接觸部分增加，蛋白質(zhì)伸展，暴露內(nèi)部的功能團參與更多的位點結(jié)合 蛋白質(zhì)與表面間的接觸位點隨時間而增加 因為已經(jīng)形成了大量接觸位點，脫附并不隨時問增加而增加。,與時間相關(guān)的蛋白質(zhì)在材料表面的鋪展,2.體溶液濃度的變化可以造成構(gòu)象的變化(圖3-8) 在低濃度條件下，每個蛋白質(zhì)可有大量的表面區(qū)域可以接觸，蛋白質(zhì)之間不互相接觸，分子鋪展而與材料接觸增多 在高的體濃度狀態(tài)，每個分子所擁有的材料表面面積降低，由于吸附物-吸附物相互作用，較少伸展，因而更多的蛋白質(zhì)吸附于表面，每個分子與材料的接觸較少。,圖3-8與蛋白質(zhì)體溶液濃度有關(guān)的蛋白質(zhì)構(gòu)象變化,四、多元

13、溶液,上述蛋白質(zhì)-表面相互作用的大量知識來源于單一蛋白質(zhì)溶液，但多元溶液中吸附與組織-植入物界面更為相關(guān) 體液包括血液、淚液和唾液，包含了很多種生物分子，例如血液包含了150種以上蛋白質(zhì)，還不包括脂類化合物、碳氫化合物、激素等 搞清楚哪種分子聚集在材料表面以及與溶液成分的關(guān)系是極為重要的,當表面暴露于多元溶液中時，某些分子將優(yōu)先地從溶液沉積到表面 進而，表面吸附層可能發(fā)生與時間相關(guān)的成分變化，直至達到一個亞穩(wěn)定狀態(tài) 材料表面活性和生物分子在材料表面的有效性變化對決定表面的分子狀態(tài)有貢獻，因而親和性(如尺寸、電荷、構(gòu)象穩(wěn)定性)和動力學因素(如濃度和蛋白質(zhì)尺寸)是重要的 由于表面只能提供有限的面積

14、與蛋白質(zhì)結(jié)合，到達表面的分子競爭結(jié)合位點，蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用和蛋白質(zhì)-表面相互作用是重要的 在單一蛋白質(zhì)溶液中分子間的排斥起重要作用，但是在多元系統(tǒng)中可能發(fā)生分子間的吸引,考慮簡單的界面由擴散控制的情況，方程式(3-2)表明如果溶液中蛋白質(zhì)分子濃度高和或蛋白質(zhì)的尺寸小(擴散系數(shù)大)，則蛋白質(zhì)將迅速到達表面 雖然與表面的親和力可能不是最佳的，即使是暫時的，但由于存在大量位點的“裸”表面，吸附也可能發(fā)生 隨時間變化，雖與表面有較大親和力，但由于蛋白質(zhì)濃度低和或尺寸大，蛋白質(zhì)將緩慢到達表面 然而其表面可能已被一單層蛋白質(zhì)占據(jù)，在這種情況下，只有開始吸附的分子發(fā)生脫離，新的分子才能與表面結(jié)合。,一

15、般地，純的吸附是少見的 吸附的分子可以被交換，已經(jīng)吸附的蛋白質(zhì)與從體溶液中到達表面的蛋白質(zhì)對位點的競爭導致了交換(圖3-9) 一旦吸附的蛋白質(zhì)與表面的結(jié)合被斷開，新的蛋白質(zhì)分子則可以占據(jù)結(jié)合位點，當原吸附的蛋白質(zhì)的所有結(jié)合位點都被新的蛋白質(zhì)占據(jù)時，這個蛋白質(zhì)就成為第一個釋放出的分子 直到與表面有強的相互作用的蛋白質(zhì)全部吸附在材料表面，蛋白質(zhì)交換的過程才結(jié)束。,圖3-9一個吸附的蛋白質(zhì)被交換的過程,上述逐級的碰撞、吸附、交換過程稱為Vroman效應(yīng)(圖3-1 0),吸附在材料表面的蛋白質(zhì)順序示意(Vroman）效應(yīng),實例血液蛋白-材料表面相互作用,血液含有150種以上的蛋白質(zhì)，可作為多元溶液中蛋

16、白質(zhì)與外物表面相互作用的一個很好實例?；谫|(zhì)量傳輸?shù)目紤]，具有最高濃度的蛋白質(zhì)(表3-3)將首先到達表面。,表3-3 最高濃度的血槳蛋白,根據(jù)最簡單的傳輸形式、純的擴散，蛋白質(zhì)吸附的可行性見表3-4。由于白蛋白具有最高濃度和適當?shù)某叽?擴散系數(shù))，在最初的反應(yīng)中起決定作用。球蛋白由于其低的濃度和較大的尺寸，到達表面的速率低。,表3-4 表3-3列出的蛋白質(zhì)的到達速率，基于方程式(3-1)所描述的擴散限制的傳質(zhì)過程,以蛋白質(zhì)分子撞擊表面的機會，白蛋白是球蛋白的7倍，而低密度脂蛋白則是白蛋白的11500 雖然球蛋白到達表面的速率低于白蛋白，但如果球蛋白分子與表面有較白蛋白更大的表面親和力，球蛋白也可以與已吸附的白蛋白交換 類似地，其他到達表面速率較低的蛋白質(zhì)，代替預(yù)先已經(jīng)被吸附的分子取決于它們與材料表面的親和力 因而如纖維蛋白原，即使到達表面的速率比白蛋白的1/100還少，但由于比白蛋白與材料表面更大的親和力最終也可以吸附在材料表面。,然而血漿蛋白在材料表面的分級反應(yīng)較上述擴散限制的簡化過程更復雜(表3-5) 由于其親和性或附加動力學因子(如對流)，不具有最高濃度的蛋白質(zhì)也可結(jié)合于表面 蛋白質(zhì)的吸附可導致凝血，如纖維蛋白原和因子對于決定組織-植入物相互作用具有重要性,表3-5 血漿蛋白在玻璃和金屬氧化物上的交換層次,總 結(jié)1 蛋白質(zhì)與生物材料的相互作用取決于生物分子