医用材料生物学基础-蔡伟第五章蛋白质-材料表面相互作用

微观组织结构
在微观尺度上，生物材料表面可以是不均匀的
生物材料表面可存在不同功能性的微畴，这些微 畴可以与生物分子进行不同的作用
例如，许多金属生物材料至少有两相，如Ti-6A14V中的α相和β相，不仅不同的相与生物分子作 用的行为可以不同，而且晶界和晶内与生物分子 的作用行为也不同
对聚合物而言，大分子链的折叠引起的分聚提供 了不同的微畴结构。蛋白质对这些畴有不同的亲 和性取决于不同畴内存在不同的化学物质。
n是蛋白质在材料表面的浓
度；C0是蛋白质的体浓度； t是时间
上式表示高的体浓度和／或高的扩散系数 (与分子尺寸成反比)导致到达材料表面的 分子数量大
在对流也存在的情况下，导致对流扩散， 这取决于界面的几何状态，数学处理变得 复杂
对于存在薄的通道流动的 情况下：
式中，是流动速度；x是在通 道中的流动距离；y是在流动通 道的高度范围内的位置；是壁 的剪切率；b是通道的高度。 采用适当的边界条件后，方程 式可以用数值方法解出。
例如，血红蛋白中的谷氨酸被疏水的缬氨酸替代使S血红蛋白稳定性降低，不 稳定的蛋白质因而溶解较少，导致纤维性析出而使红血细胞破坏。
蛋白质的双歧性分子性质及其氨基酸的极性、 非极性、荷电性也对材料的表面活性有影响
亲水的、极性的和荷电 的氨基酸位于分子外部
而疏水的残基在分子内 部并不是绝对的，疏水 的氨基酸也可位于蛋白 质分子外部以与表面进 行相互作用
蛋白质存在于材料表面，蛋白质分子可以分子间力的方式与底物发生相互作用， 如离子键、疏水反应以Leabharlann Baidu电荷传递反应
氢键在蛋白质-表面相互作用中不起主要作用
由于水易形成氢键，它与表面形成氢键就像蛋白质分子中的氨基酸与材料表面形 成氢键一样容易
分子间力对蛋白质-表面相互作用的控制取决于特殊的蛋白质和表面
化学成分
表面化学成分将决定何种功能基团适合于与生物 分子相互作用
金属生物材料氧化的(钝化的)表面暴露金属离子 与氧离子。类似地，陶瓷和某些玻璃表面包含金 属离子和非金属离子
不同的功能基团，如氨基、羧基、羰基和原子团 均可存在于聚合物生物材料表面
生物分子(或甚至分子的部分区域)对不同表面有 不同亲和性取决于暴露何种基团。例如，疏水表 面倾向于结合更多蛋白质而使结合更牢固。
免或减少对先结合的分子间 蛋白质占据材料表面对随
排斥作用。
后蛋白质分子吸附的影响
除适合的接触面积外，因为蛋 白质分子和材料表面的非均匀 性，蛋白质可以不同取向存在 于材料表面(图3-5)
荷时介质的pH计为pI)。
蛋白质伸展的影响
与蛋白质伸展有关的性能也会影响其在材料表面的 吸附
蛋白质的伸展倾向于暴露更多与材料表面接触的位 点
增加伸展的程度和速率都可导致更大的表面活性
蛋白质的伸展对蛋白质与材 料表面相互作用的影响
蛋白质结构稳定性的影响
稳定性差的蛋白质或分子间交联较少的蛋白质倾向于伸展更多或更快,表面活 性大
即使对于含单一蛋白质的溶 液，蛋白质吸附层也似乎是 不均匀的
当分子吸附于清洁表面时， 它们与底物的作用有少量限 制，每一个分子可与表面形 成许多种接触
由于表面被占，适合于吸附
随后的蛋白质的表面较少。
继而分子可能以不同的取向
结合到材料表面，即使是在
较少蛋白质-材料接触情况下，
不同的取向也可使蛋白质避
表面吸附的蛋白质也影响 材料的表面性能与降解性
介绍蛋白质吸附的基本原 理以及蛋白质和材料表面 性质对固体表面的蛋白质 行为的影响
分子和底物的性质在决定蛋白质— 表面相互作用时的重要作用示意
一、蛋白质和材料的表面性能
影晌与材料表面相互作用的蛋白质性能
蛋白质尺寸的影响
影响材料表面活性的蛋 白质性能与蛋白质的一 级结构有关，即氨基酸 的序列影响蛋白质-材料 表面的相互作用
另外，蛋白质的伸展可
分子和底物的性质在决定蛋白质— 暴露疏水区域而与表面
表面相互作用时的重要作用示意
发生相互作用。
材料表面性能
影响与蛋白质相互作用的材料表面性能
几何因数
底物的表面具有较多的形貌特征，可在与蛋白质的相互作用时暴露更多的表 面区域
例如与平整的表面相比，有沟槽和坑的表面具有更大的表面积，其他的表面 特征如加工痕迹可为与蛋白质的相互作用提供额外位置
较大的分子易于与材料 表面发生相互作用，因 为它们可以有更多的位 点与材料表面接触
蛋白质的尺寸对蛋白质与材料 表面相互作用的影响
例如白蛋白分子(67kDa)与氧化硅底物形成77 个接触点，而每个纤维蛋白原(340kDa)分子 则形成703个接触点
然而，尺寸并不是决定性的，球蛋白(65kDa) 较其尺寸大得多的纤维蛋白原显示出更大的 表面活性。
二、吸附与脱附
吸附是分子黏附到固体表面的过程，蛋白质-表面相互作用导致局部蛋白质的 高浓度，可较均匀溶液高1000倍
这种蛋白质的聚集，尤其是特定的蛋白质在材料表面的聚集，在组织-植入体 界面相互作用中起着决定性的作用。
除上面所述材料的表面性能和蛋白质性能之外，吸附也取决于分子与底物作用的 效率
分子被吸附到表面可由4种传输机理中的一种或多种起作用。①扩散；②热对流； ③流动；④互传输，如对流和扩散的相结合
浓度、速度和分子尺寸对决定到达材料表面的蛋白质分子是重要的
以考虑扩散的影响为 例，简单的扩散可由 以下公式描述：
在短时间和吸收率与扩 散率相等的条件下：
C是浓度；D是扩散系数； x是距离；t是时间
蛋白质-材料表面相互作用
哈尔滨工业大学 材料物理与化学系
蛋白质-材料表面相互作用
蛋白质和材料的表面性能 蛋白质吸附与脱附 蛋白质构象的变化 多元溶液中的相互作用
蛋白质在材料表面的行为 对于确定组织—植入物界 面的性质起着非常重要的 作用
表面吸附的蛋白质影响凝 血、补体激活、细菌及细 胞黏附
蛋白质的尺寸对蛋白质与材料 表面相互作用的影响
蛋白质电荷的影响
带电荷的氨基酸具有亲水性，通常位于蛋白质的外面，并易于与表面发生作 用
这种电荷及其在蛋白质表面分布能够在很大程度上影响蛋白质的吸附 然而类似于尺寸的影响，电荷也不是惟一的决定因素 有趣的是蛋白质常在近等电位点表现出很大的活性(蛋白质分子显示出零净电