Simuleringer afslører rolle af calcium i titanium implantat accept

Titanium-baserede materialer er meget udbredt i medicinsk implantatteknologi. Belægning af overfladen af ​​titaniummaterialer med biologisk aktive molekyler har for nylig vist løfte om at forbedre, hvordan celler klæber til implantater og fremmer vævsregenerering. Mekanismerne bag, hvordan peptider klæber til titanium, imidlertid, er ikke fuldt ud forstået.

Forskere ved Deakin University i Australien fandt ud af, hvordan calciumioner til stede i grænsefladen mellem titaniumoxid og væv påvirker, hvor godt peptider binder til metallet. Holdet rapporterer deres resultater i et særnummer af Biointerfaser , der fremhæver kvinder inden for biointerface-videnskab. Ved at bruge nyligt udviklede værktøjer til simulering af molekylær dynamik, gruppens resultater giver en tidlig forståelse af, hvordan vi en dag kan bruge salts sammensætning til at finjustere reaktionerne mellem titaniumimplantater og kroppen.

"Dette arbejde bidrager til en langvarig og vedvarende indsats for at identificere systematiske forbedringer af bærende implantatmaterialer, " sagde Tiffany Walsh, en forfatter på papiret. "Den bindingsadfærd, vi har identificeret for disse peptider i nærvær af ioner, kan guide andre i designet af nye implantatbelægninger."

Det menes, at belægning af titaniumoverflader med biomolekyler for at klæbe til værtsvæv er hjulpet af nærliggende uorganiske ioner i kroppen. På grund af deres højere positive ladning og rolle i cellesignalering, calciumioner mistænkes for at være særligt nyttige.

For at løse disse spørgsmål, Walsh og hendes kolleger skabte en computermodel af den oxiderede overflade af titanium. Gruppen simulerede to titaniumbindende peptider, Ti-1 og Ti-2, i opløsninger af calciumchlorid og natriumchlorid ved hjælp af molekylær dynamik simuleringer. Denne beregningstilgang tilnærmer og modellerer interaktionerne mellem de talrige molekyler i et system. I deres model, de var afhængige af en avanceret teknik kaldet replika-udveksling med solut-tempering, der accelererer udforskningen af ​​peptidstrukturerne.

Gruppen opdagede, at positivt ladede calciumioner hjalp Ti-1 med at klæbe til titaniumoverfladen ved at fungere som en forbindelse mellem det negativt ladede titaniumoxid og asparagin, en rest i Ti-1-peptidet. Denne proces fører derefter til, at andre rester fastgøres direkte til titaniumoxidoverfladen. For Ti-2, imidlertid, calciumioner viste sig at begrænse adgangen til overfladen.

Dataene fra deres simuleringer peger på forbedrede principper for design af peptider med afstembar ?nitet til titaniumapplikation. Walsh sagde, at hun forventer, at deres resultater vil føre til at udforske titanium-væv-grænsefladen yderligere, herunder molekyler med et bindingsdomæne for titanium og et for biomolekyler.

"Titanium er et almindeligt implantatmateriale, og vores forståelse af, hvordan man fordelagtigt modulerer interaktionen mellem titanium og levende væv, mens meget avanceret, har stadig meget at gå, " sagde Walsh. "Vi ønsker at bidrage til denne igangværende indsats."