第四章--蛋白质吸附与生物相容性

第四章蛋白质吸附和生物相容性。随着再生医学和组织工程技术的发展，对生物材料提出了更高的要求。生物材料的生物相容性受到了前所未有的关注。生物相容性在生物材料中非常重要，也是生物材料中常见的问题，蛋白质粘附直接影响生物相容性。4.1生物相容性的概念和定义4.1.1血液相容性4.1.2组织相容性4.2蛋白质吸附4.2.1蛋白质吸附的重要性4.2.2蛋白质吸附的热力学和动力学4.2.3蛋白质吸附的研究方法4.2.4沃曼效应4.2.5蛋白质吸附和生物相容性4.3宿主-生物材料相互作用4.3.1材料反应4.3。2宿主反应4.3.3结构相容性问题4.4免疫细胞和组织修复4.4.1组织修复中的炎症细胞4.4.2组织修复中的生长因子4.1生物相容性作为细胞、组织或器官再生的支架和模板，生物材料在组织工程研究中发挥着不可或缺的重要作用。支架和模板材料为细胞增殖提供了物质基础。同时，它们支持和促进细胞和组织的生长，调节和诱导细胞和组织的分化，并能在宏观水平上根据所需的形状控制组织工程或器官的再生。鉴于组织工程的生物材料与细胞、组织和宿主的生理系统直接相关，对生物材料的要求不仅要有物理机械性能、化学稳定性、无毒、易加工成型，还要有生物相容性。生物相容性生物材料在特定环境和宿主位置与宿主直接或间接接触时相互反应的能力。生物相容性是一种材料在体内动态变化过程中的生物学特性，它能承受宿主系统的作用，并保持相对稳定而不被排斥和破坏。它也被称为生物适应性和生物可接受性。生物相容性在不同的材料应用场合有不同的要求和内涵：血液相容性；组织相容性，细胞相容性，4.1.1血液相容性，生物材料与血液循环的特殊联系，生物材料的血液相容性，是人们广泛关注的课题之一。大多数植入和应用于体内的材料必须与血液接触。在正常情况下，血管中的血液流动不受阻碍。异常血液：当血管受损，血液离开血管进入组织时，会自动凝固血液。当血液与异物表面接触时，可能会发生溶血或凝血，从而导致血栓形成。当血液与生物材料的表面接触时，各种血浆蛋白将根据材料的表面性质在不同程度上迅速吸附在异物的表面，这将随后导致血小板的粘附。可以说血浆蛋白的选择性吸附反映了生物材料的血液相容性。因此，为了确保血小板在血管中正常运行而不发生粘连或活化，植入的生物材料需要具有良好的血液相容性。4.1.2组织相容性，材料与组织器官的接触，不能被组织侵蚀，材料与组织之间应该有一种亲和力。作为一种生物材料，必须满足以下要求：高纯度、无毒、无刺激、无癌症、无诱发病变、无抗原性、无溶血、无凝血等。它可以与组织相容并尽可能不引起病变。降解产物是水溶性小分子，优选天然存在的代谢物。这种降解产物可以溶解在细胞外液中，并通过肾脏和肺排出。更常见的是，它是通过吞噬作用实现的，通常是通过巨噬细胞，偶尔也是通过中性粒细胞。生物材料引起的宿主反应主要是由宿主细胞对材料表面的识别引起的。生物材料的整体性能对生物相容性影响不大。因此，如何控制生物材料的表面性质，以实现最佳的宿主反应或细胞-材料相互作用，减少不良宿主反应，是生物材料研究中的一个关键问题。4.1生物相容性的概念和定义4.1.1血液相容性4.1.2组织相容性4.2蛋白质吸附4.2.1蛋白质吸附的重要性4.2.2蛋白质吸附的热力学和动力学4.2.3蛋白质吸附的研究方法4.2.4蛋白质吸附的阿曼效应4.2.5蛋白质吸附和生物相容性4.3宿主-生物材料相互作用4.3.1材料反应4.3。2宿主反应4.3.3结构相容性问题4.4免疫细胞和组织修复4.4.1炎症细胞在组织修复中的作用4.4.2生长因子在组织修复中的作用4.2蛋白质吸附大多数情况下，细胞和生物材料表面之间的相互作用不是直接的。当生物材料接触生理环境时，水分子和无机盐离子首先到达生物材料的表面，接着是体液、血液或培养基中的蛋白质分子，最后细胞到达材料的表面。因此，在材料表面和细胞之间通常有一层被吸附的蛋白质层，细胞通过蛋白质层的介导粘附和粘附在材料表面。如图4-1和4.2.1所示，蛋白质粘附的重要性表明，材料表面对细胞或由其引起的宿主反应的影响实际上是通过影响蛋白质在材料表面的吸附行为来实现的。生物材料的细胞相容性直接受生物材料表面吸附的蛋白质的种类、吸附速度、吸附量和空间构象的影响。4.1生物相容性的概念和定义4.1.1血液相容性4.1.2组织相容性4.2蛋白质吸附4.2.1蛋白质吸附的重要性4.2.2蛋白质吸附的热力学和动力学4.2.3蛋白质吸附的研究方法4.2.4沃曼效应4.2.5蛋白质吸附和生物相容性4.3宿主-生物材料相互作用4.3.1材料反应4.3。2宿主反应4.3.3结构相容性问题4.4免疫细胞和组织修复4.4.1炎症细胞在组织修复中的作用4.4.2生长因子在组织修复中的作用4.2.2蛋白质吸附的热力学和动力学蛋白质的结构和多样性极大地影响蛋白质吸附的热力学和机理、吸附的可逆性和多组分吸附的动力学。蛋白质分子是由多种氨基酸按照一定的顺序通过酰胺键(肽键)缩聚而成的具有三维结构的复杂分子。蛋白质是氨基酸通过肽键相互连接的线性序列。在蛋白质中，多肽链折叠形成特殊的形状(构象)。在结构中，这种构象是由氨基酸序列决定的原子的三维排列。蛋白质有四个不同的结构层次：一级、二级、三级和四级(并不总是如此)。蛋白质的一级结构是蛋白质分子中氨基酸残基的序列，即氨基酸的线性序列。二级结构由主链上酰胺键之间的氢键偶联形成，如螺旋和折叠片。三级结构由分子链内的相互作用形成，包括氢键、离子键和疏水力、盐桥和二硫键。四级机构由链段组合而成。其中，四元结构决定了蛋白质、物质表面和细胞的作用。大多数血液蛋白含有极性、非极性和带电荷的侧链。在极性溶液体系(如PBS或等离子体)中，为了降低体系的界面自由能，亲水性侧链相互聚集并倾向于存在于与水接触的界面，而疏水性侧链聚集在蛋白质分子内部。因此，蛋白质分子中产生完全不同的微区结构，这些微区决定了蛋白质的高级结构，如图4-2所示。决定蛋白质在材料表面吸附和解吸行为的物理和化学因素通常有8种，如图4-3所示。在接近过程中，蛋白质分子的输运性质和蛋白质与材料表面之间的内在相互作用共同决定了蛋白质接近表面的程度(1)，并且它们还受到溶剂分子的运动及其自身分子运动性质的影响(2)；在粘附过程中，以下三个因素构成了材料表面稳定粘附的驱动力：蛋白质与材料界面的短程相互作用(3)；由于蛋白质和表面之间结合水和带相反电荷的离子的释放，熵增加(4)；材料表面蛋白质变性引起的熵增加(5)；在蛋白质从材料表面解吸的过程中，有三个因素使粘附表面不稳定并导致解吸：溶剂热干扰(6)；剪切流(7)；其他可以吸附在表面的物质更稳定地与蛋白质竞争吸附功(8)。每一个过程，从蛋白质接近材料表面到附着在生物材料表面到从材料表面解吸，都有自己的特点。在接近过程中，蛋白质分子的输运性质和蛋白质与物质表面的内在相互作用共同决定了蛋白质接近表面的程度。它们还受到溶剂分子运动和它们自身分子运动性质的影响。当单一的静态蛋白质溶液与基质材料接触时，粘附速率取决于蛋白质从主体溶液到基质材料的转运速率。Andrade和Hlady认为有四种传输机制：扩散、热运动、流动和耦合运动-扩散。在等温条件下，平行层流或静态系统中的蛋白质运输只能通过扩散来完成。然而，在扰动或搅拌系统中，可能会出现四种传输模式。吸附在材料表面的蛋白质的数量、组成和构象可以通过各种分析和测量方法来表征，例如圆二色性、差示扫描量热法、酶联免疫吸附测定法、傅里叶变换红外光谱和衰减全反射光谱、放射免疫测定法、全内反射荧光、椭圆偏振、扫描力显微镜和应时微量天平。4.1生物相容性概念和定义4.1.1血液相容性4.1.2组织相容性4.2蛋白质吸附4.2.1蛋白质吸附的重要性4.2.2蛋白质吸附的热力学和动力学4.2.3蛋白质吸附的研究方法4.2.4蛋白质吸附的阿曼效应4.2.5蛋白质吸附和生物相容性4.3宿主-生物材料相互作用4.3.1材料反应4.3。2宿主反应4.3.3结构相容性问题4.4免疫细胞的功能和组织修复4.4.1炎症细胞在组织修复中的功能4.4.2生长因子在组织修复中的功能。差示扫描量热法可以通过测量蛋白质在热变性过程中在溶液中或在材料表面的焓以及通过改变热差来推断蛋白质的构象变化。红外光谱和衰减全反射光谱可用于研究蛋白质在表面吸附前后的构象变化。放射免疫分析法是测定表面蛋白质含量的最直接的工具，而应时微量天平也可以测定微量吸附的蛋白质。表面蛋白质层的厚度可以通过椭偏法获得。高度特异性的单克隆和多克隆抗体技术可以特异性地检测吸附蛋白质的构象和组成。因此，不仅可以研究细胞和吸附蛋白质之间的定量关系，而且可以比较细胞和蛋白质的组成和构象。4.1生物相容性概念和定义4.1.1血液相容性4.1.2组织相容性4.2蛋白质吸附4.2.1蛋白质吸附的重要性4.2.2蛋白质吸附的热力学和动力学4.2.3蛋白质吸附的研究方法4.2.4蛋白质吸附的阿曼效应4.2.5蛋白质吸附和生物相容性4.3宿主-生物材料相互作用4.3.1材料反应4.3。2宿主反应4.3.3结构相容性问题4.4免疫细胞和组织修复4.4.1组织修复中的炎症细胞4.4.2组织修复中的生长因子4.2蛋白质吸附4.2.4蛋白质吸附因此，在固液界面，粘附的蛋白质肯定会影响后续过程，所以细胞必须与蛋白质层相互作用。因此，粘附蛋白如纤连蛋白、透明质酸和胶原可以调节物质和细胞的功能。实验：蛋白质在玻璃表面的吸附是有序的。当玻璃与血浆接触2秒钟时可以检测到纤维蛋白原，但25秒钟后不能检测到.椭圆偏振测量显示蛋白质层的厚度没有变化。纤维蛋白原被亲和力更强的其他蛋白质替代，即发生吸附性蛋白质替代的结果。在吸附过程开始时，纤维蛋白由于其高浓度而优先占据材料表面。随着时间的推移，吸附的纤维蛋白原被浓度较低但亲和力较强的高分子量激肽原所取代，因此纤维蛋白原含量降低，但蛋白质层的厚度保持不变。如果溶液中蛋白质分子的浓度高和/或蛋白质的尺寸小(扩散系数大)，蛋白质将很快到达表面，并且这些对表面亲和力低的蛋白质可能被优先吸附。随着时间的变化，那些对表面具有更大亲和力的蛋白质将慢慢到达表面并与被吸附的蛋白质交换。直到所有与表面有强烈相互作用的蛋白质被吸附在材料表面，蛋白质交换的过程才结束。这种一步一步的碰撞、吸附和交换过程被称为V-Vraman效应，这只是蛋白质沉积和置换结果的一部分。蛋白质按大小和浓度的顺序吸附在材料表面，然后被浓度较低但与底物材料亲和力较高的蛋白质所取代。体外研究表明，在血浆和全血中观察到了弗罗曼效应，表明血细胞的存在并不影响血浆对纤维蛋白原的吸附。此外，可以推断弗罗曼效应也可以发生在体内。因为几乎所有的哺乳动物和物质都受吸附蛋白质层的调节，所以蛋白质沉积的动力学也非常重要。4.1生物相容性的概念和定义4.1.1血液相容性4.1.2组织相容性4.2蛋白质吸附4.2.1蛋白质吸附的重要性4.2.2蛋白质吸附的热力学和动力学4.2.3蛋白质吸附的研究方法4.2.4蛋白质吸附的阿曼效应4.2.5蛋白质吸附和生物相容性4.3宿主-生物材料相互作用4.3.1材料反应4.3。2宿主反应4.3.3结构相容性问题4.4免疫细胞和组织修复4.4.1组织修复中的炎症细胞4.4.2组织修复中的生长因子4.4.2材料的生物相容性受许多因素的影响，例如表面亲水性/疏水性、电荷性质、表面能、化学官能团和生长因子或粘附因子。事实上，上述材料性能对生物相容性的影响与微观本质上的表面粘附蛋白的构象密切相关。亲水性/疏水性、电荷性质、化学官能团、生长因子等。4.2.5蛋白质的吸附和生物相容性，亲水材料比疏水材料具有更好的生物相容性。亲水材料比疏水材料具有更好的生物相容性。首先，细胞与生物材料的粘附。第二，蛋白质的空间构象影响生物材料的生物相容性。第三，蛋白质分子在生物材料表面的吸附直接受材料表面水分子聚集结构的影响。1、水在生物材料表面的结构特征，2、从热力学上解释，3、从动力学上解释，4.2.5蛋白质吸附和生物相容性，1、细胞对生物材料的粘附，细胞在材料表面的粘附过程图，细胞膜表面受体可以特异性识别细胞外基质中的配体，从而实现细胞与外界之间的信号传递。细胞在材料表面的粘附也是通过上述“生物识别”实现的。细胞表面有一种叫做整合素的跨膜受体。除了整合素，细胞膜表面还有其他与细胞粘附有关的受体。在动物中，细胞外基质中的胶原蛋白、纤连蛋白、透明质酸和层粘连蛋白都是整合素的配体，统称为粘附蛋白。现在，已经证明细胞膜表面受体可以特异性识别这些粘附蛋白中的一些肽段，进而影响细胞的粘附、增殖、迁移、定向、分化和活性。在物质-组织相互作用的过程中，中性粒细胞和巨噬细胞出现在物质表面的初始阶