【摘要】：納米生物材料與生物分子之間的相互作用機制的研究對生物材料的研發(fā)及臨床上的成功使用具有重大的意義。計算模擬為研究分子和原子水平上的相互作用提供了一種有效的方法。本研究利用分子動力學(xué)(MD)和密度泛函理論(DFT)方法探討了三種生物材料:羥基磷灰石(HA)、殼聚糖(CS)、石墨烯(G),和生物分子的相互作用機理,特別考察了 pH環(huán)境和外電場對相互作用的影響。主要研究內(nèi)容如下:(1)納米HA在調(diào)節(jié)細胞功能和吸附蛋白質(zhì)中起著重要作用,但通過常規(guī)實驗方法較難準(zhǔn)確地了解納米結(jié)構(gòu)HA表面對蛋白質(zhì)吸附作用的影響。本研究制備了三種納米結(jié)構(gòu)的HA表面:納米溝槽、納米凹槽和納米柱;每一種都有三種不同的尺寸和排列方式。采用MD和DFT方法研究了 BMP-7和BMP-7衍生多肽與納米結(jié)構(gòu)HA(110)表面的相互作用機制。考察了水環(huán)境中各種HA表面對BMP-7的吸附作用和影響。結(jié)果表明,HA表面的納米結(jié)構(gòu)對蛋白質(zhì)/多肽與HA基底的相互作用強度有顯著影響。BMP-7及其衍生多肽與納米凹槽和納米柱HA表面的相互作用強于與平整的和納米溝槽HA表面的相互作用。研究結(jié)果還表明,如果納米結(jié)構(gòu)HA表面的溝槽尺寸與蛋白質(zhì)或多肽的殘基尺寸相匹配,那么殘基很可能會擴散到納米溝槽、納米凹槽和納米柱的槽中,進一步加強它們之間的相互作用。此外,水分子吸附在不同的HA表面,阻礙了蛋白質(zhì)和多肽的吸附。研究結(jié)果有望為用于骨再生和組織工程的新型生物陶瓷材料的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有價值的理論指導(dǎo)。(2)本征HA材料中引入單離子或多離子摻雜能有效地調(diào)控其形貌、晶粒尺寸、結(jié)晶度、物理化學(xué)和生物學(xué)特性以滿足HA的多功能需求。在本研究中,采用DFT和實驗方法研究了鍶(Sr)摻雜、氟(F)摻雜和Sr/F共摻雜HA納米粒子的各種特性。Sr/F共摻雜HA與Sr摻雜的HA相比,其負(fù)的形成能絕對值更大,結(jié)晶度更大,因此結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定,而且相對于Sr摻雜HA,Sr/F共摻雜HA的晶格常數(shù)a變小,而c無太大變化。這些結(jié)果表明,F可以成功地?fù)诫s到Sr摻雜的HA中,并能穩(wěn)定Sr摻雜的HA。抗菌試驗表明,Sr/F共摻雜的HA晶體具有良好的抗變形鏈球菌活性。此外,共摻雜HA的抗菌活性與F摻雜HA的抗菌活性無顯著性區(qū)別。同時Sr摻雜HA具有良好的生物相容性,F加入Sr摻雜HA中并不會導(dǎo)致細胞毒性。Sr離子增強了 HA納米粒子的骨誘導(dǎo)能力,值得注意的是,將適當(dāng)含量的Sr摻入F-HA會導(dǎo)致Sr/F共摻雜納米粒子的最佳骨誘導(dǎo)能力。本研究為設(shè)計多種元素共摻雜的納米HA以滿足其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。(3)將蛋白質(zhì)與殼聚糖結(jié)合不僅可以改善殼聚糖的生物相容性,而且還可以實現(xiàn)蛋白質(zhì)分子的有效緩釋。脫乙酰度和pH效應(yīng)被認(rèn)為是影響殼聚糖吸附蛋白的最重要的兩種因素。在本研究中,利用MD方法評價了不同脫乙酰度和pH條件的CS對BMP-2和HSA吸附的影響。結(jié)果表明,BMP-2和HSA與75%脫乙酰度殼聚糖表面之間的吸附均達到最大。此外,HSA在各種殼聚糖表面吸附均強于BMP-2。另外,pH結(jié)果表明,降低pH值有利于BMP-2與HSA和殼聚糖表面的相互作用。研究結(jié)果將有望更好地了解CS-protein體系的相互作用機制,為不同脫乙酰度和pH條件下殼聚糖的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。(4)石墨烯具有較強的疏水性和較低的反應(yīng)活性,實驗研究多采用在石墨烯材料中引入摻雜原子或功能團方法改善其物理化學(xué)性質(zhì)。值得注意的是,生物分子與原子摻雜石墨烯之間的相互作用機理難以用常規(guī)實驗方法解釋清楚。本研究構(gòu)建了 Fe、Cr、Al、Mn和Ti摻雜石墨烯模型。采用DFT方法研究了摻雜石墨烯與絲氨酸之間的相互作用。結(jié)果表明,陰離子型和中性絲氨酸與本征石墨烯之間主要存在-OH…π、-COOH…π及-COO-…π非共價相互作用。在金屬摻雜石墨烯表面,共價相互作用占主導(dǎo)地位,這是由于形成了 metal-O和O-metal-O相互作用。同時,Fe、Cr、Al、Mn和Ti均增強了石墨烯對兩種絲氨酸的吸附,但陰離子型絲氨酸在各種石墨烯表面吸附能力均大于中性絲氨酸。研究結(jié)果有望為合理設(shè)計和開發(fā)石墨烯基材料與蛋白、多肽相關(guān)的應(yīng)用提供有用的參考信息。(5)石墨烯基納米材料常采用摻雜方法改善其反應(yīng)活性,但外電場也是一種調(diào)控石墨烯材料物理性質(zhì)的有效方法。多巴胺是一種含有兩個酚羥基和一個氨基的芳香族化合物,而且由于含有酚羥基和氨基兩種活性基團而具有優(yōu)良的粘附能力。通過查文獻得知,在外電場條件下,生物分子與金屬原子摻雜石墨烯之間的相互作用還未見報道。本研究系統(tǒng)地考察了多巴胺與本征石墨烯和B、N、Ca和Fe摻雜石墨烯表面的相互作用。研究結(jié)果表明,摻雜可以調(diào)控多巴胺和石墨烯之間的相互作用。B和N摻雜的石墨烯對多巴胺吸附影響不大,這是由于它們之間僅形成了較弱的非共價相互作用。多巴胺與Ca和Fe摻雜的石墨烯表面的相互作用遠大于與前三種石墨烯表面的相互作用,這是由于形成了metal-O和O-metal-O共價相互作用。同時,可以通過沿著垂直于石墨烯表面方向,施加其大小為0、0.005、0.010、0.015和0.020 au的外電場來調(diào)控多巴胺-石墨烯體系。結(jié)果表明,一個合適的外電場有助于增加多巴胺分子與Ca和Fe摻雜石墨烯之間的相互作用,其中最大的相互作用出現(xiàn)在0.015au電場條件下。本研究發(fā)現(xiàn)通過外電場方法靈活調(diào)控石墨烯-生物分子之間的相互作用,在新型石墨烯基催化劑、太陽能電池和生物分子傳感器等方面有較好的應(yīng)用前景。
【圖文】：

活性［１１］。它已被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如骨替代生物材料［１２］、逡逑藥物載體［１３］，以及牙科方面［１４］。ＨＡ通常認(rèn)為具有六方晶型，屬于Ｐ６３／ｍ的空間群，逡逑如圖１－ｌａ所示。ＨＡ的晶格參數(shù)為ａ＝ｂ＝９．４３Ａ，ｃ＝６．８８Ａ［１５］。一個ＨＡ晶胞含十個鈣離逡逑子（Ｃａ２＋），六個磷酸根離子（Ｐ０４３－）和兩個羥基（ＯＨ－）邋［１６］。ＨＡ中還含有兩種類型逡逑的Ｃａ原子［標(biāo)記為Ｃａ（Ｉ）和Ｃａ（ＩＩ）］，（圖１－ｌｂ和１－ｌｃ）。四個Ｃａ（Ｉ）被六個Ｐ０４基團的九個０逡逑

，計算模擬是分子和原子水平上研究生物分子與各種ＨＡ相互作用機制的墨烯材料逡逑石墨烯的結(jié)構(gòu)與性能逡逑墨烯（Ｇ）是單層二維蜂窩狀晶型的碳材料［５９］。如圖ｌ－２ａ中，碳原子發(fā)三個ｃｒ鍵，非雜化的Ｐｚ軌道形成大７１鍵，，平行于石墨烯層８石墨烯的特征優(yōu)良的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)性能，并且石墨烯具有較大的比表面積［烯由于優(yōu)良的性能導(dǎo)致其在組織工程［６１］、藥物和基函傳載［６２］、傳感器具有廣闊的應(yīng)用前景ｓ氧化石墨烯（ＧＯ）可以被視為具有含氧基團，羧基和環(huán)氧基的石墨烯［６５］，如圖ｌ－２ｂ所苯。羥基和環(huán)氧官能團主要存在羰基和羧基基團主要存在于ＧＯ的邊緣［６６］。ＧＯ因含豐＇富的表面官能團水性，因此，ＧＯ與生物分子之間有較好的親和力。逡逑
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前7條

1 趙晗;周麗娜;魏東山;周新建;史浩飛;;外電場對鋰修飾氧化石墨烯結(jié)構(gòu)儲氫性能的影響[J];高等學(xué)�；瘜W(xué)學(xué)報;2016年01期

2 王哲;肖占文;范紅松;張興棟;;羥基磷灰石陶瓷表面微溝槽的制備及其對成骨細胞早期行為的影響[J];無機材料學(xué)報;2013年01期

3 張竹霞;郝亞星;韓培德;許并社;;摻雜和修飾的石墨烯對半胱氨酸吸附性能的密度泛函理論研究[J];材料導(dǎo)報;2012年10期

4 傅強;包信和;;石墨烯的化學(xué)研究進展[J];科學(xué)通報;2009年18期

5 ;Synthesis,Characterization and Antibacterial Property of Strontium Half and Totally Substituted Hydroxyapatite Nanoparticles[J];Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science Edition);2008年04期

6 葛泉波,何淑蘭,毛津淑,姚康德;生物材料與細胞相互作用及表面修飾[J];化學(xué)通報;2005年01期

7 秦書儉,劉學(xué),鄭德宇,梅晰凡,谷學(xué)靜;外源性人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2基因在兔骨髓基質(zhì)細胞中的穩(wěn)定表達及其誘導(dǎo)成骨作用[J];中國臨床康復(fù);2004年20期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 謝超鳴;骨修復(fù)材料表面的納米功能化修飾研究[D];西南交通大學(xué);2016年

2 金穎滴;雜化量子力學(xué)/分子力學(xué)方法中的長程靜電及短程Pauli排斥作用研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2015年

3 姚強;若干新材料相穩(wěn)定性及力學(xué)性能的第一性原理研究[D];上海交通大學(xué);2008年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前5條

1 夏濤;寡聚乙二醇自組裝單分子膜表面摩擦的分子模擬研究[D];浙江大學(xué);2017年

2 寧雅倩;納米顆粒改性清潔壓裂液的分子動力學(xué)模擬及實驗研究[D];浙江大學(xué);2016年

3 郭亞楠;生物分子與TiO_2/石墨烯相互作用的計算機模擬[D];西南交通大學(xué);2013年

4 張峰;殼聚糖基多孔膜材料的研究[D];復(fù)旦大學(xué);2012年

5 李萍;絲素—殼聚糖生物降解膜的制備及性能研究[D];蘇州大學(xué);2005年

本文編號：2603110