拓扑结构对蛋白质在材料表面吸附的影响

黄琼俭

摘要：当植入材料与生物体接触时，蛋白质将自发地吸附到材料表面，并受各种因素的影响。论文中简要介绍了三方面的影响，包括材料表面的规则图形、曲面曲率以及材料表面的粗糙度。

关键词：拓扑结构 蛋白质 表面吸附

0 引言

众所周知，细胞对材料表面的响应，是通过附着在材料表面的蛋白的组成、构象和分布而实现的，所以细胞对纳米拓扑结构的响应最终由表面吸附的蛋白层传递。当植入材料与生物体接触时，蛋白质将自发地吸附到材料表面，形成蛋白质层，并受各种因素的影响，主要包括蛋白质自身的性质、材料表面性质以及所处的生物环境。在众多的影响因素中，材料表面的拓扑结构是尤其重要的影响因素之一。尽管近年来二维拓扑结构对蛋白及细胞的影响有了广泛的报道，但隐藏于现象背后的机理，细胞的感知，细胞间信号传导以及对纳米拓扑结构的长期反应仍鲜有报道并迫切需要得到解答。因此，探讨蛋白质对材料表面纳米拓扑结构的响应，将对我们理解生物分子、细胞、材料表面所构成的非常复杂的体系有极大的促进作用。

1 规则图形

目前所见的规则图形主要包括沟槽、金字塔、凹坑或凸起三类。目前对于这三类规则图形的研究已经有了一定的成果。Calli等人通过局部阳极氧化法在硅和钛表面制得了与蛋白质尺寸大小相似的纳米凹槽结构，观察结果表明，在硅表面，F-肌动蛋白在纳米凹槽区域附近的吸附量比在平整区域要低很多，有沿着纳米凹槽吸附的倾向，研究发现，纳米金字塔拓扑结构对牛γ-球蛋白的吸附及其活性有明显影响，其吸附量比在平整表面的吸附量显著增加，而且其相对活性随着表面纳米金字塔堆积的密度增加而降低。对于凹坑/凸起结构对蛋白吸附的影响尚无定论，Sutherland等人在材料表面制得了直径40nm、深度10nm的凹陷结构，并分别在纳米凹陷结构和平整表面吸附纤维蛋白原。测试结果表明，蛋白质在这两种表面上的吸附量相似。而通过血液检测则发现在纳米凹陷结构处血小板数量更多。推测这是由于表面的构象和取向更有利于纤维蛋白原与血小板膜上的受体结合，使得血小板的黏附增多。

2 球面

在纳米蛋白药物控制释放体系中，药物载体多为球形表面，这些弯曲表面的曲面曲率会对蛋白质等生物分子产生影响。Roach等人在15-165nm范围内不同亲疏水性Si微粒对蛋白变性与曲率的关系进行研究，提出了球状蛋白和棒状蛋白（纤维蛋白原）在不同曲率微粒上吸附的模型，认为球状蛋白在大曲率球面上其构象倾向于保持原状，而棒状蛋白在大曲率球面上倾向于变形，包裹球面。

3 粗糙表面

Cai和Han等人的实验结果表明，粗糙度与吸附量之间没有线性关系，粗糙度对蛋白质的吸附量没有显著影响。而Rechendorff等的研究结果表明，增大表面粗糙度可提高蛋白质的吸附量。众多结果表明，纳米级的粗糙度会影响蛋白质的吸附行为，应该重视粗糙度这一因素对材料生物相容性的影响。

4 结束语

一般而言，纳米尺度拓扑结构可有效影响蛋白粘附和细胞行为，这使得拓扑结构成为生物体系与人工材料界面间的关键影响因素。纳米拓扑结构有望成为生物医用材料调节细胞的方式。纳米拓扑结构与生物蛋白吸附之间的研究正处于起步阶段。而目前的研究表现出了纳米结构影响蛋白吸附不仅取决于尺寸分布，其形态特征也有着显著影响。另外，不同的纳米结构对于不同的蛋白有着不同的影响。而在体内环境中，微结构将面对多种蛋白同时存在并随时而变的复杂体系，研究这其中的相互关系将会是一个巨大的挑战。

参考文献：

[1]Galli C，Coen M C，Hauert R，et al.Creation of nanostructures to study the topographical dependency of protein adsorption.Colloid Surf B， 2002， 26（3）：255-267.

[2]Riedel M， Müller B， Wintermantel E.Protein adsorption and monocyte activation on germanium nanopyramids.Biomaterials， 2001， 22（16）： 2307-2316.

[3]Sutherland D S， Broberg M， Nygren H， et al.Influence of nano-scale surface topography and chemistry on the functional behaviour of an adsorbed model macromolecule.Macromol Biosci， 2001，1（6）： 270-273.

[4]Denis F A， Hanarp P， Sutherland D S， et al.Protein adsorption on model surfaces with controlled nanotopography and chemistry.Langmuir， 2002， 18（3）： 819-828.

[5]Roach P， Farrar D， Perry C C.Journal of the American Chemical Society 128 （2006） 3939.

基金项目：重庆工业职业技术学院院级项目，项目名称：无机生物材料的生物相容性研究，项目编号：GZY201309-YK。