钛系生物材料表面微纳形貌影响细胞吸附的机理研究

论文摘要

生物医用材料与细胞的吸附结合,在生物医学中的置换损伤组织、器官或增进其功能的过程中具有重要的作用。近几十年来,尽管人们对细胞与植入体结合的研究取得了很大的进展,但对生物材料和与细胞粘附的机理、结合的微观过程仍缺乏深入了解,现在仍不能准确预测与细胞结合的植入体材料的理想表面状况,以及表面缺陷、粗糙度、空穴等特征对细胞黏附的影响。而这些形貌特征对于控制植入体与细胞有效结合,获得满意生物相容性、结合强度是非常重要的。分子动力学(MD)模拟是研究吸附等表面现象的强有力手段。在MD模拟中,所有原子位置都可以知道,可以从分子水平上研究吸附的机理和吸附动力学。本课题根据细胞与植入体相结合的理论,针对目前生物医用材料中使用最广的钛系生物医用材料的性能提高问题,采用分子动力学方法,建立了钛系生物医用材料表面TiO2层与细胞粘附蛋白中细胞吸附肽—RGD吸附的模型,采用PPPM长程力计算方法和对模拟原胞内的原子进行适当的分组,显著提高了模拟速度。加上水分子作用环境使模型更加完善。本课题的模拟结果,可以为钛系生物材料表面改性的研究提供依据;可以结合RGD肽链在钛系材料表面的吸附过程实验给以验证;同时对一些细胞粘附的实验研究给以解释。分子动力学模拟结果表明:吸附过程中RGD肽链是以指定的吸附位点与TiO2相应原子形成吸附位,同时构型不断变化;表面有缺陷时,其吸附能增加、吸附速度明显提高,这可能是由于缺陷棱边或周边暴露出三配位Ti和四配位Ti,从而改善了RGD肽链的吸附效果;表面不同尺寸的缺陷时,吸附效果明显不同,表明其对吸附过程有很大的影响,本课题对不同尺寸凹槽情况和全表面网格式空位粗糙情况影响吸附的规律进行了初步研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题的来源及意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 表面形貌影响细胞吸附的实验研究
• 1.3.2 分子动力学方面的研究
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 分子动力学模拟的理论基础
• 2.1 分子动力学模拟的基本原理
• 2.2 势能函数的选取
• 2.3 经验对势分子动力学
• 2.4 Buck势分子动力学
• 2.5 边界条件
• 2.6 积分方法
• 2.6.1 积分求解策略
• 2.6.2 正则系综的分子动力学模拟
• 2.7 时间步长的选取
• 2.8 初始条件
• 2.9 长程力的计算
• 2.9.1 Ewald加和算法
• 2.9.2 PME计算方法
• 2.9.3 PPPM计算方法
• 2.10 本章小结
• 第3章 二氧化钛完美表面RGD链吸附的机理研究
• 3.1 模拟单元的模型建立
• 3.1.1 二氧化钛完美表面模型建立及研究
• 3.1.2 RGD肽链初始结构的建立
• 3.1.3 水分子模型
• 3.2 模拟参数的选择
• 3.3 软件介绍
• 3.4 程序模块制定
• 3.5 程序思路
• 2完美表面RGD链吸附机理的研究'>3.6 TiO₂完美表面RGD链吸附机理的研究
• 2完美表面RGD链无水吸附机理研究'>3.6.1 TiO₂完美表面RGD链无水吸附机理研究
• 2完美表面有水影响吸附的机理研究'>3.6.2 TiO₂完美表面有水影响吸附的机理研究
• 3.7 本章小结
• 第4章 表面缺陷影响RGD链吸附机理的研究
• 4.1 凹槽表面RGD链吸附机理的研究
• 4.1.1 二氧化钛凹槽表面模型建立
• 4.1.2 凹槽表面RGD链无水吸附机理的研究
• 4.1.3 凹槽表面有水影响吸附的机理研究
• 4.2 凹槽尺寸影响RGD链吸附性能的研究
• 4.3 表面空位影响RGD链吸附机理的研究
• 4.3.1 表面空位模型的建立
• 4.3.2 表面空位影响吸附的机理及分析
• 4.3.3 表面空穴与凹槽影响吸附性能比较
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢