本文選題：表面拓撲結(jié)構(gòu) + 成骨細胞�。� 參考：《哈爾濱工業(yè)大學》2017年博士論文

【摘要】：隨著材料制備、表面檢測及表征技術(shù)的迅猛發(fā)展,生物材料逐步向功能化和智能化方向發(fā)展,其在分子水平上對細胞行為的調(diào)控能力也備受關(guān)注。由于骨置換術(shù)需求的不斷增加,在骨組織替換領(lǐng)域,對植入體的生物學性能,如骨整合性的要求越來越高。因此,合理設(shè)計和制備生物材料并使其具備分子識別能力,誘導(dǎo)細胞產(chǎn)生特定的響應(yīng)或形成新的組織,已成為當前組織工程領(lǐng)域迫切需要解決的關(guān)鍵問題。鈦合金是常用的醫(yī)用金屬材料,在硬組織替換領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用,對鈦合金醫(yī)用材料實施合理的表面改性有助于提高其生物相容性。在眾多影響組織/細胞-材料界面相互作用的表面特征因素中,表面拓撲形貌能夠獨立影響細胞行為,闡明表面微納拓撲形貌誘導(dǎo)和調(diào)控細胞行為的作用機理是指導(dǎo)和設(shè)計生物材料的重要前提。基于細胞外蛋白質(zhì)在細胞黏附過程中所起的重要調(diào)節(jié)作用,研究蛋白質(zhì)與材料之間的相互作用對揭示細胞黏附機理具有重要意義。本文將圍繞生物材料與細胞之間的界面相互作用機理,采用細胞實驗和分子模擬相結(jié)合的方法,探討表面拓撲結(jié)構(gòu)對成骨細胞黏附的影響規(guī)律,分析表面納結(jié)構(gòu)對細胞外黏附蛋白的吸附過程可能產(chǎn)生的影響,為建立材料表面拓撲結(jié)構(gòu)的生物相容性評價體系提供實驗和理論指導(dǎo)。鑒于生物材料表面拓撲結(jié)構(gòu)具有獨立影響細胞行為的能力,本文首先從細胞實驗角度分析了Ti6Al7Nb表面粗糙度對MC3T3-E1成骨細胞黏附和增殖特性的影響,探討了PDMS表面溝槽結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對細胞形成“接觸引導(dǎo)”現(xiàn)象的影響規(guī)律。實驗結(jié)果表明,成骨細胞的鋪展能力和增殖能力隨鈦合金表面粗糙度增加而減小。隨著PDMS表面溝槽寬度增加,成骨細胞的“接觸引導(dǎo)”現(xiàn)象愈加凸顯。生物材料表面拓撲結(jié)構(gòu)能夠約束細胞偽足的生長,從而誘導(dǎo)細胞產(chǎn)生“接觸引導(dǎo)”等特定的細胞行為。鈦合金表面納結(jié)構(gòu)在水環(huán)境下可能發(fā)生羥基化,繼而影響細胞黏附和蛋白質(zhì)的吸附特性,本文基于第一原理計算方法,建立了金紅石型TiO2(110)表面臺階結(jié)構(gòu)的羥基化模型。研究結(jié)果表明TiO2(110)表面沿11—1晶向分布的臺階結(jié)構(gòu)具有較高的表面能密度,是水分子分解的活性位點,故由此利用第一原理能量最小化方法獲得了穩(wěn)定羥基化模型的原子結(jié)構(gòu)及分子力場。本文開展的水分子在表面臺階結(jié)構(gòu)附近分解的動力學模擬結(jié)果顯示,水分子分解后產(chǎn)生的自由質(zhì)子能被臺階附近不飽和氧原子奪走;在較高的水分子覆蓋率條件下,自由質(zhì)子又能以水合氫離子的形式逐漸擴散到水環(huán)境中。在羥基化模型基礎(chǔ)上,借助經(jīng)典分子動力學方法研究了表面羥基化對近表面水層分布的影響,發(fā)現(xiàn)表面羥基化能夠弱化水分子在TiO2表面分層分布的現(xiàn)象。為了研究細胞外黏附蛋白在納結(jié)構(gòu)TiO2表面的吸附特性,本文采用經(jīng)典分子動力學方法,建立了膠原蛋白和膠原三肽(脯氨酸-羥脯氨酸-甘氨酸,Gly-HypPro)分子在TiO2表面的吸附模型,分析了表面臺階和溝槽結(jié)構(gòu)對膠原蛋白吸附特性的影響規(guī)律。模擬結(jié)果表明未羥基化表面近表層水分子能夠間接為膠原蛋白吸附提供位點,然而溝槽內(nèi)致密的水分子則會阻礙膠原蛋白的吸附。通過對膠原三肽在電中性和電負性完全羥基化TiO2表面吸附過程的比較分析,確定了膠原三肽在吸附過程中的自由能變化及其與TiO2表面的結(jié)合強度。研究對比了羥基化前后的表面溝槽結(jié)構(gòu)對三肽吸附過程的影響效果,發(fā)現(xiàn)羥基化后溝槽內(nèi)水分子分層現(xiàn)象減弱且擴散能力增強,導(dǎo)致膠原三肽擴散吸附至溝槽內(nèi)時所受的阻力減小。為了分析溶液條件下鈣/磷酸根離子團對膠原三肽在納結(jié)構(gòu)表面吸附特性的影響,分別建立了磷酸根離子HPO42-和H2PO4-的分子模型,分析了鈣/磷酸根離子在TiO2表面的團聚過程,研究發(fā)現(xiàn)羥基化的TiO2表面有利于鈣/磷酸根離子的形核,表面納結(jié)構(gòu)在限制鈣/磷酸根離子擴散的同時,亦能為離子吸附提供大量活性吸附位點,從而能夠有效促進鈣磷酸鹽的礦化過程。研究了鈣離子在TiO2表面吸附的動態(tài)特性及自由能變化,確定了鈣離子和磷酸根離子在TiO2表面的吸附構(gòu)象,分析了鈣離子協(xié)助膠原三肽吸附到羥基化TiO2表面的動態(tài)過程。鑒于溶液中鈣/磷酸根離子的擴散能力大于膠原三肽,故其能夠首先擴散抵達TiO2表面,并成為膠原三肽吸附的活性位點。當表面存在溝槽結(jié)構(gòu)時,大量鈣/磷酸根離子能夠快速地在溝槽中富集,促進膠原三肽在溝槽中形成穩(wěn)定的吸附。通過分析基底表面特征(拓撲結(jié)構(gòu)、羥基化等)和溶液離子對膠原蛋白及膠原三肽吸附特性的影響,本文能為合理設(shè)計和制備生物材料表面拓撲結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。
[Abstract]:With the rapid development of material preparation, surface detection and characterization technology, biomaterials are gradually developing towards functional and intelligent direction, and their ability to regulate cell behavior at the molecular level is also concerned. The increasing demand for bone replacement, the replacement of bone tissue in the bone tissue, and the biological properties of the implant, such as bone integration Therefore, it has become the key problem in the field of tissue engineering to rationally design and prepare biomaterials and make them have the ability to identify the molecules, to induce specific responses or to form new tissues. Titanium alloys are commonly used as medical metal materials and are very widely used in the field of hard tissue replacement. The rational surface modification of titanium alloy materials can help to improve their biocompatibility. In many surface characteristic factors that affect the interaction of tissue / cell material interface, surface topologies can affect cell behavior independently, and the mechanism of surface micronano topological morphologies to induce and regulate cell behavior is pointed out. Based on the important precondition of conducting and designing biological materials. Based on the important regulatory role of extracellular proteins in cell adhesion, the study of the interaction between proteins and materials is of great significance to reveal the mechanism of cell adhesion. The effect of surface topology on the adhesion of osteoblasts is discussed by the method of molecular simulation, and the effects of surface nanostructure on the adsorption process of extracellular matrix adhesion proteins are analyzed. The experimental and theoretical guidance for establishing the biocompatibility evaluation system for the surface topology of materials is provided. The effect of Ti6Al7Nb surface roughness on the adhesion and proliferation of MC3T3-E1 osteoblasts was analyzed from the angle of cell experiment. The effect of geometric parameters on the "contact guidance" of cell formation on the surface of the PDMS surface was discussed. The spreading ability and proliferation ability decreases with the increase of the surface roughness of the titanium alloy. With the increase of the groove width of the PDMS surface, the "contact guidance" phenomenon of osteoblasts becomes more prominent. The topologic structure of the biomaterial surface can restrain the growth of the cell pseudo foot, thus inducing the cell to produce the specific cell behavior such as "contact guidance". The surface nanostructures may be hydroxylation in the water environment, and then influence the adhesion of cells and the adsorption characteristics of protein. Based on the first principle calculation method, the hydroxylation model of the surface step structure of the rutile TiO2 (110) surface is established. The results show that the surface of the TiO2 (110) surface has a higher surface along the step structure along the 11 to 1 crystal direction. The energy density is the active site of the decomposition of water molecules. Therefore, the atomic structure and molecular force field of the stable hydroxylation model are obtained by the first principle energy minimization method. The kinetic simulation of the decomposition of water molecules near the surface step structure shows that the free protons produced by the decomposition of the water subsurface can be near the steps. Under the condition of high water molecular coverage, free protons can gradually spread to the water environment in the form of hydrated hydrogen ions. On the basis of the hydroxylation model, the effect of surface hydroxylation on the distribution of near surface water is studied with the help of the classical molecular dynamics. It is found that the surface hydroxylation can weaken the water molecules. In order to study the adsorption characteristics of the TiO2 surface on the surface of the TiO2 surface, the classical molecular dynamics method was used to establish the adsorption model of collagen and collagen three peptide (proline hydroxyproline glycine, Gly-HypPro) on the surface of TiO2 surface, and the surface steps and groove structure were analyzed. The simulation results show that the near surface water molecules on the surface of the surface of the non hydroxylation can indirectly provide the site for collagen adsorption, but the dense water molecules in the grooves will impede the adsorption of collagen. The ratio of the adsorption process of the collagen three peptide to the surface of the electrically neutral and electronegative completely hydroxylated TiO2 surface The free energy change of collagen three peptide during the adsorption process and the binding strength to the TiO2 surface were determined. The effect of the surface groove structure on the adsorption of three peptide was compared before and after the hydroxylation. It was found that the stratification of water molecules in the grooves was weakened and the diffusion capacity was enhanced after hydroxylation, which resulted in the diffusion and adsorption of collagen three peptide. In order to analyze the effect of calcium / phosphate group on the adsorption properties of collagen three peptide on the nano structure surface under the condition of solution, the molecular model of HPO42- and H2PO4- was established, and the agglomeration process of calcium / phosphate ion on the surface of TiO2 was analyzed. It was found that the hydroxylated TiO2 surface was beneficial to the surface. The nucleation of calcium / phosphate ion, the surface nanostructure can also limit the diffusion of calcium / phosphate ions, and can also provide a large number of active adsorption sites for ion adsorption, which can effectively promote the mineralization process of calcium phosphate. The dynamic characteristics of calcium ion adsorption on the TiO2 surface and the change of free energy are studied, and calcium ions and phosphate ions are determined. On the surface of TiO2, the dynamic process of calcium ion assisted collagen three peptide adsorbed on the surface of hydroxylated TiO2 was analyzed. In view of the diffusion capacity of calcium / phosphate radical ion in the solution is greater than that of collagen three peptide, it can first spread to the TiO2 surface and become the active site for the adsorption of collagen three peptide. Calcium / phosphate ions can be enriched in the grooves rapidly, promoting the stable adsorption of collagen three peptide in the grooves. By analyzing the characteristics of the surface of the substrate (topological structure, hydroxylation, etc.) and the effect of solution ions on the adsorption properties of collagen and collagen three peptide, this paper can provide a rational design and preparation of the topologic structure of the biomaterial surface. Theoretical basis.

【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：R318.08;O647.3

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本文編號：1846753