第四章--蛋白质吸附与生物相容性.

医用高分子材料MedicalPolymerMaterials第四章蛋白质吸附与生物相容性2医用高分子材料第四章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（biocompatibility）受到了前所未有的重视。生物相容性在生物材料中是如此重要而且是生物材料中共性问题，而蛋白质黏附又直接影响到生物相容性。3医用高分子材料第四章4.1生物相容性概念与定义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蛋白质吸附热力学与动力学4.2.3蛋白质吸附的研究方法4.2.4蛋白质吸附的Vorman效应4.2.5蛋白质吸附与生物相容性4.3宿主-生物材料的相互作用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免疫细胞与组织修复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医用高分子材料第四章4.1生物相容性（biocompatibility）作为细胞、组织或者器官再生的支架与模板，生物材料在组织工程研究中起到不可或缺的重要作用，支架与模板材料为细胞增殖提供了赖以生存的物质基础，同时，支持和促进细胞与组织的生长，调控和诱导细胞与组织的分化等，而且可以控制组织工程或器官在宏观上按要求的形状再生。鉴于组织工程的生物材料直接与细胞、组织和宿主的生理系统相接处，因此对生物材料的要求除了需要具备物理机械性能、化学稳定性、无毒性和易加工成型性意外，还必须具有生物相容性。5医用高分子材料第四章生物相容性（biocompatibility）生物材料在宿主的特定环境和部位，与宿主直接或间接接触时所产生相互反应的能力。生物相容性是材料在生物体内处于动态变化过程中，能耐受宿主各系统作用而保持相对稳定，不被排斥和破坏的生物学特性，又称为生物适应性和生物可接受性。6医用高分子材料第四章生物相容性在材料应用的不同场合具有不同的要求和内涵：血液相容性（haemocompatibility）；组织相容性（tissuecompatibility），细胞相容性（cytocompatibility）.7医用高分子材料第四章4.1.1血液相容性生物材料与血液循环之间的一种特殊联系生物材料的血液相容性问题，是一直以来广受重视的课题之一。多数体内植入材料和体内应用的材料都要与血液接触。血液在血管中的流动，在正常情况下是畅通无阻的。血液异常：当血管受到损伤，血液离开血管进入组织时，会自动凝血；当血液与异物表面接触时，可能发生溶血或凝血，从而形成血栓。8医用高分子材料第四章当血液与生物材料表面接触时，各种血浆蛋白质会随着材料表面性质的不同，不同程度地迅速吸附在异物的表面，随后引起血小板的黏附。可以说血浆蛋白质的选择吸附，反映了生物材料的血液相容性。因此，为保证血小板不被黏附或活化，而在血管中正常运行，要求植入的生物材料具有良好的血液相容性。9医用高分子材料第四章4.1.2组织相容性材料与组织器官接触时，不能被组织所侵蚀，材料与组织之间应有一种亲和能力。作为生物材料，必须满足：高纯，无毒，无刺激，不引发癌症，无诱导病变，无抗原性，不引起溶血、凝血等，能与组织相容，尽可能的不引起病变。降解产物为水溶性小分子，最好是自然产生的代谢物，这样的降解产物就能溶解在细胞外液中，通过肾脏和肺排出来。更普通的是通过吞噬作用来实现，通常是靠巨噬细胞，偶尔也靠嗜中性粒细胞。10医用高分子材料第四章生物材料引起宿主的反应主要是通过宿主细胞对材料表面的识别引起的；生物材料的本体性能则对生物相容性基本没有影响。因此，如何调控生物材料的表面性能以期达到最佳的宿主反应或细胞-材料相互作用，降低不利的宿主反应是生物材料研究的一个关键问题。11医用高分子材料第四章12医用高分子材料第四章4.1生物相容性概念与定义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蛋白质吸附热力学与动力学4.2.3蛋白质吸附的研究方法4.2.4蛋白质吸附的Vroman效应4.2.5蛋白质吸附与生物相容性4.3宿主-生物材料的相互作用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免疫细胞与组织修复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13医用高分子材料第四章4.2蛋白质吸附绝大多说情况下，细胞与生物材料表面之间的相互作用并不是直接进行的。当生物材料与生理环境接触时，首先到达生物材料表面的是水分子和无机盐离子，其次是体液、血液或培养基中的蛋白质分子，最后才是细胞到达材料表面。因此在材料表面与细胞之间通常存在吸附的蛋白质层，细胞通过蛋白质层的介导而附着、黏附进而铺展到材料表面。如图4-14.2.1蛋白质黏附的重要性14医用高分子材料第四章由此可见，材料表面对细胞的影响或引起的宿主反应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。生物材料表面所吸附的蛋白质的种类、吸附速度、吸附量以及空间构象等都直接影响材料的细胞相容性。15医用高分子材料第四章4.1生物相容性概念与定义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蛋白质吸附热力学与动力学4.2.3蛋白质吸附的研究方法4.2.4蛋白质吸附的Vorman效应4.2.5蛋白质吸附与生物相容性4.3宿主-生物材料的相互作用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免疫细胞与组织修复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16医用高分子材料第四章4.2.2蛋白质吸附热力学与动力学蛋白质的结构及其多样性极大的影响蛋白质吸附热力学和机理、吸附的可逆性及多组分吸附的动力学。蛋白质分子是由多种氨基酸按一定的序列通过酰胺键（肽键）相互缩聚组成的具有三维结构的复杂分子。蛋白质是氨基酸以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，这种构象是原子的三维排列，由氨基酸序列决定。蛋白质有四种不同的结构层次：初级结构（primary），次级结构（secondary），三级结构（tertiary）和四级结构（quaternary）（不总是有）。17医用高分子材料第四章蛋白质的初级结构就是蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序，即氨基酸的线性序列。次级结构由主链上酰胺键间的氢键偶联形成的，如α-螺旋（α-helix）和β-折叠结构（β-pleatedsheet）。18医用高分子材料第四章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。四级机构由链段间的结合形成。其中，四级结构决定了蛋白质与材料表面和细胞的作用。19医用高分子材料第四章多数的血液蛋白包含极性、非极性和带电的侧链。在极性的溶液体系（如PBS或血浆）中，为降低体系界面的自由能，亲水的侧链间会相互聚集并趋向存在于与水接触的界面，而疏水侧链则聚集在蛋白质分子的内部。因此，在蛋白质分子中产生了截然不同的微区结构，这些微区决定了蛋白质的高级结构，如图4-2。20医用高分子材料第四章决定蛋白质在材料表面吸附和脱附行为的物理化学因素通常有8种，如图4-3.在靠近过程中，蛋白质分子的运输性质和蛋白质与材料表面的本征相互作用共同决定蛋白质靠近表面的程度（1），它们也同时受溶剂分子运动和其本身分子运动性质的影响（2）;在黏附过程中，以下三个因素构成稳定黏附在材料表面的驱动力：蛋白质和材料界面间的短程相互作用（3）；由于在蛋白质与表面之间释放结合水以及相反电荷离子而引起的熵增（4）；材料表面使蛋白质变性引起的熵值增加（5）；在蛋白质从材料表面的脱附过程中，有三个因素使黏附表面去稳定化并引起脱附：溶剂热扰动（6）；剪切流动（7）；其他能够更稳定地吸附于表面的物质和蛋白质竞争吸附所做的功（8）。21医用高分子材料第四章从蛋白质靠近材料表面，到在生物材料表面黏附，到从材料表面脱附的每一个过程中都有其独自的特征。在靠近过程中，蛋白质分子的输运性质和蛋白质与材料表面的本征相互作用共同决定蛋白质靠近表面的程度，它们也同时受溶剂分子运动和其本身分子运动性质的影响。22医用高分子材料第四章当单一、静态的蛋白质溶液与基底材料接触时，黏附速率取决于蛋白质从本体溶液向基底材料的传输速率。Andrade和Hlady认为有四种传输机制：扩散，热运动，流动和偶联运动-扩散。在等温下，平行的层状流动或静态体系中蛋白质的传输只能靠扩散来完成；而在扰动或搅拌体系中，四种传输方式都可发生。23医用高分子材料第四章24医用高分子材料第四章4.2.3蛋白质吸附研究方法材料表面吸附的蛋白质数量、组成和构象可用多种分析与测量方法来表征，如圆二色谱法、差示扫描量热法、酶联免疫分析、傅里叶变换红外光谱及衰减全反射光谱、放免分析、全内反射荧光、椭圆偏振、扫描力显微术和石英微天平等等。25医用高分子材料第四章4.1生物相容性概念与定义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蛋白质吸附热力学与动力学4.2.3蛋白质吸附的研究方法4.2.4蛋白质吸附的Vroman效应4.2.5蛋白质吸附与生物相容性4.3宿主-生物材料的相互作用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免疫细胞与组织修复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26医用高分子材料第四章差示扫描量热技术可通过测量蛋白质在溶液中或在材料表面的热变性时的热焓，通过转变热的差值推导出蛋白质的构象变化。红外光谱及衰减全反射光谱可用来研究蛋白质在表面吸附前后的构象变化。放射免疫分析是测定表面蛋白质数量最直接的工具石英微天平也可测定微量吸附的蛋白质。表面蛋白质层的厚度可通过椭圆偏振技术得到。27医用高分子材料第四章高度专一性的单克隆和多克隆抗体技术可特异性地检验到吸附蛋白的构象及组成。因此，不仅对细胞与吸附蛋白的数量关系进行研究，同时可对细胞与蛋白质的组成及构象进行比较。28医用高分子材料第四章4.1生物相容性概念与定义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蛋白质吸附热力学与动力学4.2.3蛋白质吸附的研究方法4.2.4蛋白质吸附的Vroman效应4.2.5蛋白质吸附与生物相容性4.3宿主-生物材料的相互作用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免疫细胞与组织修复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29医用高分子材料第四章4.2.4蛋白质吸附的Vroman效应蛋白质在材料表面的吸附是继水和无机盐粒子吸附后在几秒钟内发生的。血小板和血液中的其他有形成分直到1分钟后才开始黏附，此时蛋白质层的厚度约20nm。因此，在固-液界面上，黏附的蛋白质必将影响到后续过程的发生，因此细胞必须和该层蛋白质发生作用。所以，黏附蛋白如纤维粘连蛋白、玻璃粘连蛋白和胶原蛋白等能够调控材料和细胞的作用。30医用高分子材料第四章实验：蛋白质在玻璃表面的吸附呈先后次序。在玻璃与血浆接触2s时，可检测到纤维蛋白原，而在25s后而检测不到。椭圆偏振测量表明蛋白质层的厚度并没有变化纤维蛋白原被亲和性更强的其他蛋白所取代，即发生吸附蛋白置换的结果。在吸附过程初期，纤维蛋白由于浓度较高而优先占据材料的表面。随着时间的推移，吸附的纤维蛋白原被浓度较低但亲和性能更强的高分子量激肽原所取代，因而纤维蛋白原含量降低，但蛋白质层的厚度则保持不变。31医用高分子材料第四章Vroman效应如果溶液中蛋白质分子浓度高和/或蛋白质的尺寸小(扩散系数大)，则蛋白质将迅速到达表面，这些与表面亲和力较小的蛋白质可能优先吸附。随着时间变化，那些与表面有较大亲和力的蛋白质将缓慢到达表面，并与己经吸附的蛋白质发生交换。直到与表面有强的相互作用的蛋白质全部吸附在材料表面，蛋白质交换的过程才结束。这个逐级碰撞、吸附、交换的过程称为Vroman