生物陶瓷表面蛋白吸附的研究进展

[摘要]近年来，生物陶瓷材料在替代因外伤或疾病而导致缺损的硬组织方面已获得广泛的应用，当材料被植入生物体内后，其表面立即会发生多种蛋白质分子的堆积，这一蛋白质层对于改变材料的表面性质起着重要的作用。因此，对生物材料表面蛋白吸附的考察已经成为评价材料生物相容性和生物活性的重要内容。本文就生物陶瓷表面蛋白吸附的主要种类、研究方法、影响因素及其改进研究等相关内容作一综述，以期为生物陶瓷表面生物学改性的研究提供基础理论参考。

[关键词]生物陶瓷；蛋白吸附；生物相容性

[中图分类号]R 783.1[文献标志码]A[doi]10.3969/j.issn.1673-5749.2012.04.037

Research progress of protein adsorption on surface of bioceramicsWang Chuanyong, Li Wei, Jiang Li.（State Key Laboratory of Oral Diseases, Sichuan University, Chengdu 610041, China）

[Abstract]Bioactive ceramics have been widely used in replacing defected hard tissues caused by trauma or disease. When biomaterials are placed in bio-enviroments, various protein molecules will immediately accumulate on material surfaces forming a bioactive layer. Moreover, this protein layer plays an important role in determining the biocompatibility of materials. So this paper briefly reviews the protein adsorption on bioceramics surfaces, including the type of proteins absorbed, methods being used, factors effecting adsorption capacity and methods improving it, providing reference for the surface biological modification of bioactive ceramic materials.

[Key words]bioceramics；protein adsorption；biocompatibility

生物陶瓷材料已在替代患有疾病或者损伤的硬组织方面被广泛应用，并在人体环境中实现了原有硬组织的部分生理和力学功能，而发挥这一长效功能的重要基础是陶瓷材料的生物相容性。具有良好生物相容性的材料能够促进表面成骨细胞的增殖分化和骨组织的沉积，进而与材料形成良好的骨结合。同样，材料在生物体内产生的大部分问题都与其相关。材料表面的生物化学性质在很大程度上决定了其生物相容性。当材料暴露在生物环境中时，材料的表面便与含有各种蛋白质的组织液紧密接触，其表面立即会有蛋白质的吸附和堆积，这一蛋白质层对于材料的生物相容性具有重要的影响，其中，具有生长因子和细胞信号作用的肽及蛋白质成分会对细胞增殖和分化起到重要的调控作用，进而影响生物材料在体内功能的发挥。研究蛋白吸附对于调节材料表面生物活性，提高材料的生物相容性非常有意义。近年来，学者们对于蛋白吸附的研究已经取得了相当大的进展，本文就生物陶瓷表面蛋白吸附的最新研究进展作一综述。

1主要的研究方法

数十年之前，测量蛋白质最广泛的技术是用放射性元素标记蛋白质然后直接测量材料表面的放射性，此方法简单、灵敏、应用广泛，但其也有许多问题，如对人体有辐射危害、不能显示蛋白质构象等，因此，此法的应用正逐渐减少。近年来，被广泛应用且为新发展的技术主要有傅里叶变换红外光谱计（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）[1]、SDS-PAGE电泳[2]、酶联免疫吸附测定法（enzyme-linked immunosorbent assay，

ELISA）[3]、噬菌体展示技术[4]、微量量热法[5]等。

2研究的目标蛋白

细胞对生物材料的反应首先取决于其对材料表面吸附蛋白的效应，蛋白质扮演了重要的角色。目前，对材料表面蛋白吸附的研究主要集中在血清白蛋白、纤维连接蛋白（fibronectin）、转化生长因子（transforming growth factor，TGF）和骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）等，这些蛋白在促进纤维细胞和成骨细胞黏附、增殖、分化以及骨诱导等过程中具有重要的作用。

血清白蛋白不仅是血浆中含量最多的蛋白，也是一种在蛋白吸附研究中最广泛应用的蛋白。其中，牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA）可与多种金属离子和其他小分子物质结合，对无机晶体的形成可以产生一定的影响。

纤维连接蛋白是细胞黏附机制中的关键蛋白之一，与成纤维细胞和成骨细胞的黏附有关，对于种植体周围新骨的再生有着重要作用，同时，纤维连接蛋白和玻璃体蛋白等已被证明能够促进细胞黏附以及肌动蛋白微丝的重组[6]。

TGF能够促进成骨细胞的增殖和分化，它的吸附对于双相磷酸钙（biphasic calcium phosphate，BCP）的骨诱导机制有着重要作用。研究[3]显示：在活体植入中，BCP对TGF-β1的吸附量会随时间增加而显著增加，这一发现对磷酸钙骨诱导机制的探讨可能提供了重要的信息。

BMP属于TGF-p超家族的成员，在成骨祖细胞的迁移、间充质细胞增殖、软骨和骨源性细胞的分化以及骨改建中具有重要的作用，其是能够单独诱导骨组织形成的局部生长因子，其中，BMP-2由于活性最强而被广泛用于研究中[7]。

3影响蛋白吸附的主要因素

不同的材料表面性质具有不同的蛋白吸附机制[8]，陶瓷材料的表面形貌、孔隙率、润湿性、表面电荷、含有的其他金属离子等因素都会影响蛋白的吸附状态。在生物体内环境下的固液表面环境将更加复杂，蛋白的种类、构象、吸附介质溶液的pH值、温度、暴露时间和吸附界面介质的流动等因素都会对蛋白的吸附起到一定的作用[9]。总体来说，固体表面的蛋白吸附是一个非常复杂的过程，受到来自材料表面结构、理化性质、生理环境等方面多种因素的影响。

3.1陶瓷的表面结构

3.1.1孔隙尺寸和微孔率孔隙尺寸是影响蛋白质吸附的一大因素，Fujii等[10]发现：含锌离子质量分数超过4%的羟磷灰石（hydroxyapatite，HA）会形成大量介孔，由于介孔尺寸较BSA分子大，而较β2-微球蛋白（β2-microglobulin，β2-MG）分子体积小，所以它更适合对β2-MG分子的吸附。Zhu等[3]发现：不同空隙结构的BCP对蛋白的吸附能力明显不同。在随后的研究中，Zhu等[11]又指出：磷酸钙陶瓷颗粒的微孔率和微孔尺寸对蛋白质吸附有显著影响，更高的微孔率和/或更多的直径大于20 nm的微孔能够吸收更多的纤维连接蛋白和胰岛素。

3.1.2比表面积由于比表面积的大小与固体的吸附能力有很大关系，增加材料的比表面积能够吸附更多的蛋白质。Li等[12]证明：磷酸钙陶瓷材料表面吸附的蛋白量随表面积的增大而增多。

3.2陶瓷的物理和化学性质

3.2.1生物陶瓷的种类不同的陶瓷具有不同的结构和性质，因而对蛋白质的吸附也不同。孙涛等[13]发现：HA、磷酸三钙（tricalcium phosphate，TCP）、胶原HA（collagen-hydroxyapatite，CHA）和含氟HA（fluor-hydroxyapatite，FHA）4种陶瓷吸附蛋白质的量有所不同，分别为TCP＞CHA＞HA＞FHA。Zeng等[14]研究了磷酸钙生物陶瓷和钛薄膜对BSA的吸附后发现：磷酸钙较钛吸附的蛋白量更大，而且磷酸钙的表面成分和结构会影响蛋白质吸附的动力学以及所吸附蛋白的结构。

3.2.2浸润性当陶瓷材料与富含蛋白质的液体环境相接触时，具有较高润湿性的材料能吸收更多的蛋白质。Hao等[8]发现：用CO2激光处理后的氧化镁部分稳定氧化锆（MgO-PSZ）对人血清白蛋白的吸附呈负相关，而与纤维粘连蛋白的吸附呈正相关。

3.2.3极性成分和表面能材料表面的极性成分能为蛋白质提供结合位点。固体表面通过降低表面能可达到吸附的目的，不同材料的表面能决定了不同的吸附过程。当材料被CO2激光处理后，其极性成分和表面能的显著改变能够改变蛋白质的吸附。Hao等[8]的研究显示：白蛋白与纤维粘连蛋白的吸附可能与其相关，这一发现有助于改善氧化锆的生物相容性。

3.2.4锌离子和硅酸盐离子材料表面的硅酸盐离子能够通过电荷排斥以及形成原子空间障碍等方式阻碍蛋白质的吸附。Chen等[15]通过研究富亮氨酸成釉蛋白对含硅HA（SiHA）的吸附行为后发现：硅酸盐离子能够形成保护效应。锌离子的加入能够增加材料的比表面积，进而影响蛋白的吸附。Fujii等[10]发现：虽然锌离子的加入使含锌纳米HA（ZnHAp）的比表面积增加，但是吸附能力却随着锌离子含量的上升而下降。这一结果同Webster等[16]的研究结果一致。

3.3生物环境因素

3.3.1蛋白质种类不同的蛋白质分子其构象、等电点等的不同，对于材料的吸附能力也具有显著的变化。孙涛等[13]研究了生物活性陶瓷对血浆总蛋白、纤维蛋白原和纤维粘连蛋白等细胞外基质的吸附情况后发现：蛋白质吸附的量与材料的性能及蛋白种类有关。

3.3.2蛋白质竞争吸附生物材料表面存在比较剧烈的竞争性或者选择性蛋白吸附，通过蛋白质的竞争吸附过程，材料表面的蛋白质会产生不同的变化[17]。

3.3.3蛋白质构象当蛋白质吸附于材料表面时，构象的变化会提供更多的结合位点。Zhu等[11]比较了多种蛋白质对材料表面的吸附后发现：BCP或HA的微结构变化对Col-Ⅰ的吸收没有明显影响。所以，他们认为：这是由于Col-Ⅰ与材料表面接触时构象很少发生变化所致。

3.3.4溶液的pH值蛋白质在溶液中有两性电离的现象，不同的pH值对蛋白质的电荷数量和性质会产生很大的影响。Sharpe等[18]比较了HA、TCP对不同血清蛋白的吸附情况后发现：不同pH值下，铁传递蛋白（transferrin）的吸附有很大的不同，并且其吸附量与pH值呈负相关。

3.4陶瓷的处理方式

3.4.1热处理温度当HA热处理至800℃以上时，会有微量的β-TCP相出现。TCP在体液中溶解生成的Ca2+和PO43-离子能为蛋白质提供结合力。Kandori等[19]将HA颗粒加热后研究其对BSA的吸附能力，结果显示：未处理组和分别加热200、400℃的HA组，其吸附量虽微量上升但都低于1 mg·m-2；当温度从600℃升至1 000℃时，蛋白吸附量显著增加到3 mg·m-2以上。

3.4.2烧结方式张慧杰等[20]以常规马弗炉烧结和微波烧结2种方式分别制备HA陶瓷颗粒后发现：相对于常规烧结，微波烧结得到的颗粒具有丰富的微孔隙和接近于纳米尺度的晶粒尺寸，其表面电位值更小，能够吸附更多的BSA和更少的溶菌酶。

4改进吸附的方法

由于蛋白质层对于细胞的黏附、增殖、分化等有很显著的影响，因此，操控其表面的蛋白吸附进而改变细胞反应，增加材料的生物相容性是很有潜力的发展方向。目前，已有多种物理、化学方法等都用来改变陶瓷的表面性质，对生物陶瓷表面仿生研究也起到了明显的促进作用。

4.1改进材料的表面形貌

4.1.1陶瓷纳米化纳米陶瓷具有极小的粒径、大的比表面积和高的化学性能，并且陶瓷材料的组成结构更加致密、均匀。纳米HA较普通HA能够吸收更多的白蛋白。

4.1.2激光改性生物陶瓷在激光产生的高热、高压作用下，经过融化再结晶等过程，其表面微结构、粗糙度、结晶度等表面形貌和各种理化性质会发生显著改变。Hao等[8]发现：CO2激光处理后的MgO-PSZ对人血浆纤维粘连蛋白的吸附量有所增加。

4.2材料表面枝接其他生物活性物质

对于事先在材料表面接枝具有一定生物活性的物质或其他的表面处理，是研制具有良好相容性材料的有效途径[21]。众多的研究已证明了表面改性的可行性。喻凯等[22]采用戊二醛交联法对白蛋白进行交联。Kandori等[23-24]发现：焦磷酸改性的HA增大了对BSA和溶菌酶的吸附，此外，他们还合成了表面含有β氨基酸的纳米HA并指出其对BSA的吸附量较普通HA多2.3～2.4倍。Monkawa等[25]用有机硅烷处理HA表面后，成功使大量Ⅰ型胶原吸附。Baeza等[26]对SiHA进行生物素化后发现：材料表面有一层同质且均匀的蛋白质层，并且吸附的蛋白质量增大。

5结论

固相与液相表面的蛋白质层对于材料的生物相容性具有不可忽视的重要作用，而且现在也得到了越来越多的关注和研究，并取得了很大的进步。然而，对于生物材料表面的蛋白吸附特性和机制仍需要更多的研究，目前的研究方法主要集中在对各种蛋白质吸附量的测量，而对于蛋白质种类的研究则相对较少，尤其是蛋白吸附后具体的蛋白成分与细胞黏附和分化等行为之间的联系需要更多的研究加以阐释。学者们研究材料表面蛋白吸附行为的最终目的是为了改进材料的生物相容性和促进组织的再生[14]。对于蛋白吸附的研究具有诸多益处，学者们增加对蛋白吸附的理解不仅能在生物材料表面活性的优化方面起到作用，也有助于探索其在生物医学方面的其他应用。通过不断地研究，相信学者们终将会制得合适的生物陶瓷材料来造福人类。

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