西南交大魯雄Journal?of?Physical?Chemistry: C文章：功能化的TiO2表面促進選擇性受體識別和調節骨形態發生蛋白-2的生物學功能

【引言】

二氧化鈦材料的表面改性潛力使其成為了一種被廣泛關注的材料。在生物醫用材料領域里，研究者們針對這種材料的生物學性能做了大量的工作。然而對于二氧化鈦對生物分子功能的影響方面的研究，尤其是磷酸化二氧化鈦為何能夠促進骨骼修復和生長這一問題仍然缺乏理論上的解釋。這一問題的存在不僅影響了現有材料的生物學性能提升，也影響了TiO₂在骨修復材料中的應用。

針對以上問題，西南交通大學魯雄教授課題組提出了使用分子動力學方法來探究磷酸化對TiO2材料生物學功能的思路。為了實現這一想法，他們開發了一組全新的TiO₂以及功能化TiO₂的分子動力學力場，再通過分子動力學計算來研究不同接枝基團對骨形態發生蛋白-2吸附及功能的影響，最終發現磷酸化的表面能夠顯著增大蛋白的吸附能，更重要的是，由于骨形態發生蛋白-2的特殊結構，磷酸化的TiO₂表面可以影響蛋白的朝向，使得wrist位點暴露在材料-蛋白復合體外面。這種構型能夠特異性地結合細胞表面的BMP受體蛋白I，并激活SMAD1/5/8信號通路，從而提升骨生長和修復相關的蛋白表達。研究成果以“Functionalized TiO2 Surfaces Facilitate Selective Receptor-Recognition and Modulate Biological Function of Bone Morphogenetic Protein-2”為題發表于2018年12月3日的Journal of Physical Chemistry: C上。王蒙豪博士為文章的第一作者。魯雄教授和四川大學生物材料研究中心的王科鋒副研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目支持。

【圖文導讀】

圖1羥基化的TiO₂表面結構，虛線框出的結構為一個晶胞

1.羥基化的金紅石（110）表面，灰色球代表5配位鈦原子，紅色球表示羥基氧原子，白色球代表羥基氫原子。5配位鈦原子與羥基的比例為4：1

2.羥基化的銳鈦礦（101）表面，5配位鈦原子與羥基的比例為4：1

3.羥基化的金紅石（110）表面，5配位鈦原子與羥基的比例為4：2

4.羥基化的銳鈦礦（101）表面，5配位鈦原子與羥基的比例為4：2

圖2磷酸化的TiO₂表面結構，虛線框出的結構為一個晶胞

1.磷酸化的金紅石（110）表面，灰色球代表5配位鈦原子，紅色球表示磷酸基團氧原子，白色球代表羥基氫原子，紫色球代表磷原子。5配位鈦原子與磷酸基團的比例為16：2

2.磷酸化的金紅石（110）表面，5配位鈦原子與羥基的比例為16：1

3.磷酸化的銳鈦礦（101）表面，5配位鈦原子與羥基的比例為16：2

4.磷酸化的銳鈦礦（101）表面，5配位鈦原子與羥基的比例為16：1

圖3?BMP-2單體和二聚體的結構

1.BMP-2單體的結構，主要有2個活性位點，分別稱作waist位點和knuckle位點

2.BMP-2二聚體的結構。同名位點位于二聚體同側，其中兩個waist位點形成一個口袋與BMP受體蛋白I相互識別，而兩個knuckle位點則與BMP-2受體蛋白II相互識別。

圖4?BMP-2單體和二聚體的結構

1.BMP-2在AOH1表面的吸附，waist位點指向表面的方向。

2.BMP-2在AOH2表面的吸附。蛋白取向與表面平行。

3.BMP-2在ROH1表面的吸附，蛋白取向與表面平行。

4.BMP-2在ROH2表面的吸附，waist位點指向表面的方向。

在這一組體系中，waist位點未暴露

圖5?BMP-2在磷酸化的TiO₂表面的吸附

1.BMP-2在AOP1表面的吸附。

2.BMP-2在AOP2表面的吸附。

3.BMP-2在ROP1表面的吸附。

4.BMP-2在ROP2表面的吸附。

在這一組體系中，waist位點指向表面上方，能夠發揮生物學作用。

圖6?BMP-2的特殊結構以及與磷酸化TiO₂表面的相互作用

1.BMP-2的結構中，酸性氨基酸天冬氨酸和谷氨酸主要存在于Knuckle位點上。

2.表面的磷酸基團在水中往往以磷酸氫根的形式存在。弱堿性的磷酸氫根能夠特異性地吸附酸性的天冬氨酸和谷氨酸。因此BMP-2的knuckle位點與表面相互結合，使得另一邊的waist位點突出出來。

圖7羥基對磷酸化TiO₂表面的生物學性能的影響

1.磷酸化TiO₂與BMP-2之間的吸附。

2.磷酸化+羥基化的TiO₂與BMP-2之間的吸附。

可以看出，羥基填充了磷酸氫根之間的間隙，使得蛋白與材料之間的吸附更穩定。

圖8磷酸化TiO₂表面對細胞信號通路的影響

磷酸氫根修飾的表面起到了BMP受體蛋白II的作用，其與BMP2（黃色）的knuckle位點相互作用。 BMP2的waist位點則與BMP受體I型（藍色，紅色和白色）相互作用，從而激活細胞中的SMAD1/5/8信號通路并將信號傳導至細胞核，激活Runx2信號通路，最終提升成骨相關的基因表達。

【小結】

在我們的研究中，通過選擇合適的接枝基團和目標蛋白，我們第一次真正的做到將關注點聚焦于生物功能本身而不僅僅是一些孤立的生物分子。這證明了以材料改性來調控生物學功能的可行性。在新材料的開發中，我們可以識別目標生物分子的特征結構。 然后根據材料數據庫選擇適當的材料并進行適當改性。 最終制造出有效的生物材料，以求得通過物理方法（如納米結構）和化學方法（如官能團）調節生物學功能。

本文由西南交通大學魯雄教授課題組供稿，編輯部編輯整理。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。