“纳米晶面”调控吸附蛋白质功能位点取向的微纳结构表面制备和评价

For significant key scientific issue of "the mechanism on the interaction of micro/nano structured surface with cells", this project intends to adopt nano-sized TiO2 polyhedra with typical atomic arrangement surface (polarity/nonpolar and order/disorder) as structural unit to build micro/nano structured surfaces. Uniquely, in the view of nano-structural unit surface atomic arrangement state-"nanosized facet", its influence on functional site orientations of RGD and RFK sequences in adsorbed proteins is explored. An insight understanding of regulation of stem cell adhesion and osteogenesis differentiation by micro/nano structured surfaces will be conducted under considerations in " "nanosized facets" - surface adsorbed water molecules- functional site orientation in adsorbed proteins -responses of stem cells" interacting chain. As an idea of functions oriented design, in-depth study on assembling a micro/nano structured surface with simultaneously reasonable orientation of both RGD and RFK sequences, easy perception for stem cells, and high direction to osteogenesis differentiation is conducted. In this project, the preparation and characterization of TiO2 micro/nano structured surfaces with different atomic arrangement characteristics of "nanosized facets", protein adsorption behaviors of the micro/nano structured surfaces and the relationship of the micro/nano structured surfaces with responses of mesenchymal stem cells are considered as main research contents. This work provides a new approach of thought and method on surface modification of implants for obtaining highly osteogenesis responses, and makes important theoretical significance.

针对"生物材料表面微纳结构与细胞相互作用机理"核心科学问题，本项目采用TiO2典型原子排列面（极性/非极性面和有序/无序面）形成纳米多面体作为结构单元构建微纳结构表面，首次独特地以纳米结构单元表面－"纳米晶面"原子排列状态为研究考量切入点，探索其对蛋白质吸附状态以及RGD和RFK序列功能位点取向调控作用。根据"纳米晶面"～表层水分子状态～吸附蛋白质状态～功能位点取向～干细胞分化关键节点链的探源式思路，揭示表面微纳结构调制干细胞成骨响应性内在规律。采用功能导向式材料设计思想，深入研究RGD和RFK序列功能位点同时合理取向的，易被干细胞感知的，高成骨分化导向的微纳结构表面的构建。本项目主要将开展不同"纳米晶面"特征的TiO2微纳结构化表面的制备和表征、蛋白质吸附行为和对间充质干细胞响应性影响的三方面研究。本项目为植入体高成骨响应性表面改性提供了新思路和手段，具有重要的理论指导意义。

“生物材料表面微纳结构与细胞相互作用机理”一直是生物材料的核心科学问题。本项目基于材料学最本征因素是表面原子排列状态，生物材料表面最先反应物是水分子的考量，以微纳结构单元表面原子排列状态（纳米晶面）与水作用为切入，TiO2为重点，结合表面可矿化的Ta2O5和表面非矿化的SrTiO3、SiO2，就“可矿化氧化物晶面/表面的蛋白质吸附及其细胞响应性”、“非矿化晶面/表面氧化物的蛋白质吸附及其细胞响应性”和“TiO2微米/纳米表面组合和分布对细胞响应性影响” 等方面，深入地开展了氧化物表面与细胞相互作用机制的研究。揭示了氧化物“晶面”决定表面生物化学特性，影响吸附蛋白质功能位点暴露程度和细胞整合素绑定特征；“纳米”决定表面微观空间几何特性，影响吸附蛋白质功能位点分布和细胞形态特征。得出关键结论为：“晶面”羟基极性化、“纳米”结构准三维分布化，是氧化物产生强促进细胞成骨分化的材料学条件。研究结果和关键数据表现为：. （1）阐明了氧化物表面作用机制。氧化物晶（表）面水化后产生的羟基，其桥羟基含量高或酸性（极性）大（pH为7左右时），有利于FN蛋白质吸附态中暴露出更多的RGD和PHSRN位点和产生合适的两位点间距（～3.3nm），从而加强与细胞整合素的绑定，强化成骨相关p-ERK信号通路的激活，促进细胞成骨分化。同时发现了激活该信号通路，氧化物表面水化后羟基的极性比其数量更为重要，吸附FN中RGD和PHSRN暴露位点的间距比其暴露量更为重要。. （2）阐明了氧化物纳米表面空间分布作用机制。经在TiO2纳米点、纳米棒、纳米多面体等结构化薄膜上细胞响应性的研究，结果显示：结构单元表面原子有序排列时，对细胞成骨分化促进作用最强，展现了高细胞响应性氧化物表面，经准三维“纳米晶面”化后，可进一步提高促细胞成骨分化效能。. 本项目研究为剖析氧化物表面生物活性产生根源、构建高骨整合特性微纳结构化表面构建提供了新思路，对加强骨组织修复植入体的生物学效能具有重要的理论指导和实践意义。