RGD與特定形貌金紅石表面相互作用的分子動(dòng)力學(xué)模擬

吳春亞，郭闖強(qiáng)，鄭庭，陳妮，陳明君，赫曉東

（1哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程博士后流動(dòng)站，黑龍江 哈爾濱 150001；2哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

RGD與特定形貌金紅石表面相互作用的分子動(dòng)力學(xué)模擬

吳春亞1,2，郭闖強(qiáng)2，鄭庭2，陳妮2，陳明君2，赫曉東1

（1哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程博士后流動(dòng)站，黑龍江 哈爾濱 150001；2哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（Arg-Gly-Asp，RGD）序列是細(xì)胞膜整合素受體與細(xì)胞外配體相結(jié)合的識(shí)別位點(diǎn)，利用其對(duì)材料表面進(jìn)行仿生修飾可以提高植入體的生物相容性。采用全原子分子動(dòng)力學(xué)方法，模擬研究了 RGD與理想和具有不同深度凹槽結(jié)構(gòu)的金紅石型 TiO2（110）表面的結(jié)合模式和結(jié)合穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，在純水環(huán)境下，RGD在金紅石表面存在錨定點(diǎn)是該序列中帶負(fù)電的羧基基團(tuán)與表面Ti原子直接鍵合的前提。凹槽側(cè)壁表層的不飽和原子是 RGD形成吸附的潛在作用點(diǎn)，故在金紅石表面引入凹槽結(jié)構(gòu)能在一定程度上影響該序列同基底之間的結(jié)合模式。當(dāng)RGD通過羧基基團(tuán)與槽底原子穩(wěn)定鍵合之后，若剩余部分的長度足以觸及至槽壁區(qū)域，則肽鏈中帶正電的氨基或胍基基團(tuán)與槽壁原子形成氫鍵的概率較大；若 RGD通過兩側(cè)末端基團(tuán)分別同槽底形成了穩(wěn)定作用，則會(huì)顯著抑制該序列與槽壁原子之間氫鍵的形成。RGD序列同金紅石表面結(jié)合作用的強(qiáng)弱取決于結(jié)合點(diǎn)的數(shù)量以及相互作用的具體類型。

金紅石；表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；肽；分子模擬；水溶液

引 言

對(duì)于植入體而言，基于生物黏附/增殖因子的預(yù)涂層仿生修飾能夠提高其表面對(duì)細(xì)胞的親和力，為細(xì)胞的黏附、延展、增殖和分化提供生物功能化界面，從而促成植入體與機(jī)體之間的有效整合[1-2]。因此，將具有生物活性的細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）黏附蛋白、肽序列等預(yù)先涂覆在植入材料表面，通過預(yù)涂層在植入體和細(xì)胞環(huán)境之間的媒介導(dǎo)向作用來提高植入體的生物相容性，是頗具前景的一種方法[3-4]。在該前提下，細(xì)胞對(duì)植入材料表面的響應(yīng)主要依賴于表面結(jié)合蛋白/肽序列的類型、結(jié)合模式、構(gòu)象和取向等，與此同時(shí)，植入材料的表面特性亦需經(jīng)由吸附蛋白/肽序列層來間接表達(dá)，因此對(duì)蛋白質(zhì)/肽序列在材料表面的吸附狀態(tài)進(jìn)行深入探討非常關(guān)鍵。

鈦及其合金由于出色的生物相容性、耐腐蝕性以及與骨骼相近的彈性模量而被廣泛用作外科植入材料，當(dāng)鈦及其合金暴露于空氣或體液中，其表面會(huì)自然形成以TiO2為主要成分的氧化鈍態(tài)薄膜。在鈦基植入材料表面修飾方面，純化的ECM蛋白質(zhì)以及含有精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸序列（Arg-Gly-Asp，RGD）的合成肽鏈應(yīng)用相對(duì)比較廣泛。RGD序列對(duì)整聯(lián)蛋白受體具有高度特異性，能與細(xì)胞表面黏附家族中的整合素配體鍵合以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞黏附的調(diào)控，而且RGD作為短肽鏈，其生物活性不依賴于三維結(jié)構(gòu)，高純度合成技術(shù)發(fā)展亦相對(duì)成熟。因此，為提高鈦基植入材料表面的生物相容性，國內(nèi)外學(xué)者以RGD或含RGD的合成肽鏈作為仿生涂層，開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究[5-11]。Elmengaard等[7]和 Ferris等[8]發(fā)現(xiàn)在鈦基材料表面固定RGD預(yù)涂層對(duì)植入體周圍新生骨的形成和生長具有積極作用。Rezania等[9]和Quirk等[10]獲得了RGD能夠?qū)羌?xì)胞的黏附和增殖產(chǎn)生顯著促進(jìn)的密度范圍。Verrier等[11]比較了線狀和環(huán)狀RGD對(duì)成骨細(xì)胞黏附的促進(jìn)效果。由此可見，RGD序列在鈦基材料表面的吸附行為、空間構(gòu)象和分布密度將在很大程度上影響該類材料的生物相容性。

為了從分子水平上闡明蛋白質(zhì)/肽序列在材料表面的吸附特性，實(shí)現(xiàn)不同對(duì)象之間相互作用微觀過程的可視化，迫切需要引入基于計(jì)算機(jī)模擬的理論預(yù)測(cè)工具，以期與先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段相得益彰。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的指數(shù)級(jí)增長以及大規(guī)模并行超級(jí)計(jì)算機(jī)的階躍式發(fā)展，分子動(dòng)力學(xué)（molecular dynamics，MD）模擬方法在蛋白質(zhì)/肽序列吸附分析方面的應(yīng)用愈加廣泛。金紅石是TiO2的穩(wěn)定相，其中（110）晶面是金紅石相TiO2中最為穩(wěn)定、總表面能最小的晶面，故金紅石（110）表面是目前蛋白質(zhì)/肽序列吸附模擬研究的主要備選基底。Skelton等[12]推測(cè) RKLPDA六肽上具有相反電荷的殘基對(duì)可以通過近表面水層的介導(dǎo)與金紅石（110）形成間接吸附。Monti等[13]通過自由能計(jì)算，確定了胍基基團(tuán)能夠與金紅石（110）表面形成氫鍵。前期的研究工作亦表明，當(dāng)不同初始構(gòu)象的RGD自發(fā)沉積至電中性金紅石（110）表面之后，胍基或氨基基團(tuán)與基底表面之間的直接氫鍵是RGD實(shí)現(xiàn)吸附的主要模式[14]，然而在電負(fù)性金紅石（110）表面上，陽離子的橋接作用是促成帶負(fù)電的Asp殘基被間接“鎖定”在電負(fù)性基底表面的主要驅(qū)動(dòng)力[15-16]。上述模擬研究表明，氫鍵連接、表面水合層或離子的介導(dǎo)作用是推動(dòng)肽鏈在金紅石（110）表面形成吸附的主要驅(qū)動(dòng)力。

另有實(shí)驗(yàn)研究顯示，甲酸分子能夠通過羧基基團(tuán)與表面Ti原子直接鍵合[17]；天冬氨酸主要通過羧基基團(tuán)與表面 Ti原子之間的橋式二齒配位形成吸附；谷氨酸的吸附模式則是羧基基團(tuán)與表面Ti原子之間的二齒配位和螯合配位的綜合體[18]。對(duì)于RGD序列而言（圖1），其主鏈N端、Arg側(cè)鏈末端分別帶有1個(gè)單位的正電荷，主鏈C端和Asp側(cè)鏈末端則分別帶有1個(gè)單位的負(fù)電荷。因此，除前期模擬研究中涉及到的帶正電基團(tuán)與表面氧原子之間的氫鍵連接，以及陽離子在帶負(fù)電基團(tuán)與帶負(fù)電表面之間的媒介作用之外，本文旨在利用 MD模擬驗(yàn)證RGD在金紅石（110）表面上能否通過羧基基團(tuán)與表面Ti原子形成直接鍵合，并通過在基底表面引入納觀尺度的凹槽結(jié)構(gòu)，考察表面拓?fù)湫蚊材芊駥?duì)RGD與基底之間的相互作用產(chǎn)生影響。

圖1 RGD的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Representation of RGD sequence

1 模擬方案

1.1 模型建立

模型的建立如圖2所示，3個(gè)基底的外觀尺寸均為5.3 nm×6.5 nm×5.2 nm。表面Ⅰ是電中性金紅石（110）理想表面，表面Ⅱ和Ⅲ分別是在表面Ⅰ基礎(chǔ)上通過移除部分原子形成了頂部凹槽。對(duì)于RGD而言，若凹槽尺寸過大則槽內(nèi)區(qū)域等同于完美表面，若凹槽尺寸過小則不足以容納該序列。將來源于PDB數(shù)據(jù)庫[19]的RGD肽鏈完全展開后進(jìn)行測(cè)量，得到整鏈的展開長度約為1.8 nm，同時(shí)為確保金紅石基底表面的電中性，在凹槽的構(gòu)建過程中按單位晶格去除頂部原子，故最終形成了尺寸分別為2.4 nm×3.2 nm×0.325 nm和2.4 nm×3.2 nm× 0.65 nm的矩形凹槽。

圖2 模擬模型的建立過程Fig.2 Setup of simulation models

初始將相同構(gòu)象的RGD序列（圖2，綠色顯示）分別置于各基底正上方，保持肽鏈最低點(diǎn)和基底最頂層相距約2 nm。首先固定RGD和金紅石表面，對(duì)水溶劑進(jìn)行能量最小化和空間排布隨機(jī)化處理，隨后允許 RGD在無約束狀態(tài)下自由弛豫，然后對(duì)RGD中的羧基氧原子（OCOO?）施加一個(gè)沿z軸向下的速度，人為地將肽鏈拖拽至基底附近。

RGD的構(gòu)象在上述過程之后相對(duì)于初始狀態(tài)（圖2，綠色顯示）發(fā)生了不同程度的改變，故以a、b、c為標(biāo)識(shí)符對(duì)不同表面上的RGD（圖2，青色顯示）加以區(qū)分。OCOO?在模擬前期向下運(yùn)動(dòng)，但在擠入第2水層之后即停滯不前，這是水分子的吸附模式所導(dǎo)致的。實(shí)驗(yàn)研究人員普遍認(rèn)為，水在理想TiO2表面上以分子態(tài)形成吸附[20-22]，Wesolowski等[23]在時(shí)間跨度為1～2 ns的MD模擬中觀察到，以分子態(tài)吸附的第1水層未發(fā)生擴(kuò)散，其他模擬研究亦證實(shí)了第1水層吸附的穩(wěn)定性[24]。由此可見，第1水層與表面五配位Ti（Ti5，命名見圖2）之間結(jié)合牢固，OCOO?原子很難通過主動(dòng)擠走第1水層分子來實(shí)現(xiàn)其同表面 Ti5之間的直接作用。因此，本文采取了一定的干預(yù)措施，人為地去除了與羧基基團(tuán)相距最近的1個(gè)第1水層分子（圖2，紅色箭頭），為羧基和表面 Ti5之間的鍵合騰出空間。最后，解除施加在 OCOO?上的外界力，對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行 MD平衡模擬（T=310 K，歷時(shí)3.5 ns）。

1.2 模擬條件

本文以LAMMPS軟件包[25]為工具，采用Matsui等[26]提出的力場(chǎng)參數(shù)表征金紅石表面，Amber力場(chǎng)[27]描述RGD序列，SPC/E[28]為水分子模型，RGD/水與金紅石之間的相互作用勢(shì)則來源于文獻(xiàn)[29]。整個(gè)模擬在 NVT系綜下進(jìn)行，基底底部的兩個(gè)Ti—O層始終保持固定，其余層允許弛豫。整個(gè)模型在x、y方向上受周期性邊界條件限制，在z方向上受固定邊界條件限制。SHAKE算法[30]用于約束與 H原子相連的鍵長及 HOH∠ 鍵角，PPPM（particle-particle particle-mesh solver）方法處理粒子間的長程相互作用，時(shí)間步長為1 fs。

2 結(jié)果與討論

將具有不同標(biāo)識(shí)符的RGD與各基底表面配對(duì)組合，共計(jì)得到5個(gè)模型（M1～M5，表1），分析RGD通過羧基與基底表面直接鍵合的可能性，并評(píng)價(jià)該鍵合作用的穩(wěn)定程度。下文圖表數(shù)據(jù)若無特殊說明，均為平衡模擬最后1 ns的平均值，其中z向零點(diǎn)為基底最頂層Ti5原子z向坐標(biāo)的平均值。針對(duì)后續(xù)將提及的表面Ti（Tis）和表面O（Os）原子作如下說明：表面Ⅰ中的Tis和Os分別表示Ti5和表面橋氧（OBO）；表面Ⅱ和Ⅲ中的Tis（或Os）表示整個(gè)基底最頂層和凹槽底部最表層的Ti5（或OBO），以及凹槽內(nèi)壁最外層的不飽和原子。圖1中的C端和側(cè)鏈羧基氧原子分別用 OCOO?-ter和 OCOO?-side表示，胍基基團(tuán)的氮原子用NNH2表示，氨基基團(tuán)的氮原子則用NNH3+表示。

表1 模型參數(shù)及RGD-rutile相互作用結(jié)果Table 1 Model parameters and RGD-rutile interaction results

本文采用徑向分布函數(shù)（radial distribution function，RDF）、z向密度分布函數(shù)和x-y平面內(nèi)的二維密度分布函數(shù)作為表征RGD與基底之間相互作用的特征參數(shù)。需要說明一點(diǎn)：在與凹槽表面相關(guān)的二維密度分布圖的繪制過程中，圖例中的Ti5、Ti6、OBO、OP均指凹槽生成之前對(duì)應(yīng)位置原子的配位狀態(tài)。理想表面在移除原子形成凹槽之后，槽壁原子的配位數(shù)勢(shì)必減小，但為簡明起見，仍統(tǒng)一采用原來的配位狀態(tài)。

2.1 不同初始位向RGD與基底的結(jié)合特性分析

標(biāo)識(shí)符為a、b、c的RGD依次位于表面Ⅰ～Ⅲ上，在去除與羧基基團(tuán)相距最近的1個(gè)第1水層分子之后，即形成了模型M1～M3，故將此部分歸類為“不同初始位向RGD與基底的結(jié)合特性分析”。2.1.1 M1中 RGD-rutile相互作用 理想金紅石（110）表面原子與RGD功能基團(tuán)之間的RDF曲線[圖3（a）]顯示，只有Tis—OCOO?-sideRDF的第一峰（rfmax）集中在約0.2 nm處。參照文獻(xiàn)給出的室溫下金紅石Ti—O原子間平均距離（Matsui等[26]：實(shí)驗(yàn)值為0.196 nm，計(jì)算值為0.195 nm；Kim等[31]：實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值均為0.196 nm），判斷得到僅有Asp側(cè)鏈羧基能與Tis直接鍵合；同時(shí)，密度分布曲線[圖3（b）]表明OCOO?-side在z向同基底頂層相距亦約為0.2 nm。綜上推斷，OCOO?-side位于同其鍵合的 Tis的正上方。圖3（a）右上角的二維密度分布圖證實(shí)了兩個(gè)OCOO?-side原子在平衡模擬最后1 ns的分布密度非常集中，幾乎是錨定在兩個(gè)相鄰的 Tis的正上方，即RGD在理想表面上通過兩個(gè)OCOO?-side原子與Tis的直接鍵合形成了穩(wěn)定作用。軌跡文件顯示，當(dāng)人為地去除與羧基相距最近的1個(gè)第1水層分子之后，其一OCOO?-side很快與裸露的Tis成鍵，另一OCOO?-side則繞著 OCOO?-side-Tis結(jié)合點(diǎn)作小幅擺動(dòng)，最終擠走了吸附在鄰近Tis上的第1水層分子。

圖3 金紅石表面原子與RGD功能基團(tuán)之間的RDF曲線(a)和RGD功能基團(tuán)在z向的密度分布曲線(b)（模型M1）Fig.3 RDF curves between surface atoms of rutile and functional groups of RGD(a) and density curves for functional groups of RGD in z direction (b) (model M1)

2.1.2 M2中RGD-rutile相互作用 模型M2中的基底包含矩形凹槽，故除 RGD與基底的結(jié)合模式之外，凹槽內(nèi)壁表層不飽和原子是否對(duì)肽鏈中的帶電基團(tuán)具有特殊吸引力亦是需要關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)。

圖4 金紅石表面原子與RGD功能基團(tuán)之間的RDF曲線(a)和RGD功能基團(tuán)在x-y平面內(nèi)的二維密度分布(b)（模型M2）（圖上虛線代表凹槽邊界所在位置）Fig.4 RDF curves between surface atoms of rutile and functional groups of RGD(a) and 2D density distribution for functional groups of RGD in x-y plane (b) (model M2)(Dashed lines represent the edges of groove)

圖4（a）顯示，胍基、C端和側(cè)鏈羧基均能與基底表層原子形成直接作用，但單憑RDF曲線無法確定與 RGD發(fā)生作用的表層原子位置，故在圖 4（b）中引入了上述功能基團(tuán)在x-y平面內(nèi)的二維密度分布情況。OCOO?-side和 OCOO?-ter與兩側(cè)槽壁相距均超過0.6 nm，即不存在羧基與槽壁Tis直接鍵合的可能性，由此確定C端和側(cè)鏈羧基中各有一原子與槽底 Tis鍵合且分布密度集中，呈穩(wěn)定的橋式配位模式。同樣，胍基與槽壁之間的距離亦遠(yuǎn)超氫鍵的形成閾值，故可知NNH2與槽底Os形成了氫鍵作用。從構(gòu)象可見，RGD以馬靴式結(jié)構(gòu)與具有凹槽的表面Ⅱ直接結(jié)合[32]，即Arg和Asp殘基側(cè)鏈分別同基底表面形成了穩(wěn)定作用，同時(shí)胍基基團(tuán)中的 NH與自由的OCOO?-side原子形成了分子內(nèi)氫鍵作用，該氫鍵在平衡模擬最后1 ns的存在率達(dá)到97%。

2.1.3 M3中RGD-rutile相互作用 模型M3中的兩個(gè)OCOO?-side呈一上一下的分布模式，位于下方者與槽底Tis鍵合，位于上方者和C端羧基在凹槽內(nèi)部保持懸空（圖5）。Os-NNH2RDF第一峰位于r=0.29 nm處，NNH2在z向集中于?0.15～0.12 nm，由此可以推斷，胍基存在同位于槽壁或頂層與槽壁交界棱邊處的Os原子形成氫鍵的可能性，但氨基與表面原子未形成任何直接作用。結(jié)合圖5（a）和圖6可知，兩個(gè)羧基均遠(yuǎn)離兩側(cè)槽壁，其中側(cè)鏈羧基以單齒配位模式與基底作用，與Tis鍵合的OCOO?-side原子分布密度集中，另一未鍵合原子與胍基基團(tuán)中的 NH形成分子內(nèi)氫鍵作用（氫鍵存在率為 88%），分布略為分散。C端羧基在凹槽內(nèi)部雖處于懸空狀態(tài)，但運(yùn)動(dòng)幅度在一定程度上受到了COO?side—Tis結(jié)合點(diǎn)的限制，故密度分散程度亦較輕。胍基與槽壁上部Os（平行于[001]方向由虛線連接的OP原子）形成了氫鍵，且在同槽壁維持氫鍵作用的同時(shí)，沿[001]方向有一定的位移，故NNH2在x-y平面上的密度分布呈與槽壁平行的細(xì)條狀。

圖5 金紅石表面原子與RGD功能基團(tuán)之間的RDF曲線(a)和RGD功能基團(tuán)在z向的密度分布曲線(b)（模型M3）Fig.5 RDF curves between surface atoms of rutile and functional groups of RGD (a) and density curves for functional groups of RGD in z direction (b) (model M3)

圖6 RGD功能基團(tuán)在x-y平面的二維密度分布（模型M3）（圖上虛線代表凹槽邊界所在位置）Fig.6 2D density distribution for functional groups of RGD in x-y plane (model M3)(Dashed lines represent the edges of groove)

2.2 相同初始位向RGD與基底的結(jié)合特性分析

由上述分析可知，不同初始位向的RGD在理想和不同深度凹槽表面呈現(xiàn)出截然不同的結(jié)合模式，為消除其他因素的干擾，著重考察表面拓?fù)涮卣鲗?duì)肽鏈與基底相互作用的影響效果，將標(biāo)識(shí)符為c的RGD分別放置在表面Ⅰ和Ⅱ上方，保持羧基最低點(diǎn)與最近鄰Tis在z向相距約0.4 nm，由此得到模型M4和M5。需要說明一點(diǎn)：M3中RGD（標(biāo)識(shí)符為c）的側(cè)鏈與平行于[001]方向的槽壁原子形成了氫鍵連接，故在向表面Ⅱ移植的過程中，有意將RGD沿遠(yuǎn)離該槽壁方向稍作平移。

2.2.1 M4中RGD-rutile相互作用 根據(jù)圖7可知，側(cè)鏈羧基中僅有單個(gè)OCOO?-side原子能與表面Tis形成鍵合作用，其余功能基團(tuán)均與表面相距過遠(yuǎn)而未形成任何直接作用。然而，Tis-OCOO?-side單齒配位模式依然能將整個(gè)肽鏈錨定在基底表面，另一OCOO?-side原子繞錨定點(diǎn)作小幅運(yùn)動(dòng)，同時(shí)懸空的 C端羧基與胍基形成了多個(gè)分子內(nèi)氫鍵，在很大程度上約束了整個(gè)肽鏈的結(jié)構(gòu)變化。

圖7 金紅石表面原子與RGD功能基團(tuán)之間的RDF曲線及側(cè)鏈羧基在z向的密度分布曲線（模型M4）Fig.7 RDF curves between surface atoms of rutile and functional groups of RGD, as well as density curve for side-chain carboxyl group of RGD in z direction (model M4)

2.2.2 M5中RGD-rutile相互作用 在表面Ⅱ上，圖8（a）所示的RDF曲線第一峰中心表明，C端和側(cè)鏈羧基均能與Tis鍵合，胍基和氨基與Os之間的距離亦均在氫鍵鍵長范圍之內(nèi)。結(jié)合二維密度分布圖[圖8（b）]判斷可得，RGD與基底表面的相互作用方式為：羧基一律遠(yuǎn)離槽壁，OCOO?-ter和OCOO?-side原子對(duì)均保持一上一下（一錨定一懸空）的分布結(jié)構(gòu)，下方OCOO?與槽底Tis鍵合。氨基位于[001]方向的槽壁附近，分布密度集中，胍基中的1個(gè)NNH2位于兩壁交匯處，另一NNH2與槽壁相距略遠(yuǎn)。將構(gòu)象在去除遮擋原子之后局剖[圖 8(a)插圖]可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)Arg側(cè)鏈幾乎與[001]方向平行，氨基和胍基同凹槽側(cè)壁最上沿的 Os原子形成氫鍵作用，羧基則以橋式配位模式與槽底Tis鍵合。

圖8 金紅石表面原子與RGD功能基團(tuán)之間的RDF曲線(a)和RGD功能基團(tuán)在x-y平面內(nèi)的二維密度分布(b)（模型M5）（圖中虛線代表凹槽邊界所在位置）Fig.8 RDF curves between surface atoms of rutile and functional groups of RGD(a) and 2D density distribution for functional groups of RGD in x-y plane (b) (model M5)(Dashed lines represent the edges of groove)

2.3 RGD-rutile相互作用小結(jié)

通過上述分析可知，盡管OCOO?原子在z向外力輔助下無法沖破第1水層的屏障，與表面Ti形成直接作用，但倘若C端或Asp側(cè)鏈羧基在表面存在一個(gè)穩(wěn)定錨定點(diǎn)，那么剩余的某個(gè)或某幾個(gè) OCOO?原子很有可能剔除掉吸附在鄰近 Tis上的水分子，形成二齒配位或橋式配位模式（表1），然而在文獻(xiàn)[18]中，Asp通過C端和側(cè)鏈羧基與TiO2表面形成了橋式二齒配位。究其原因，可能是該文獻(xiàn)以Asp為獨(dú)立研究對(duì)象，而本文以RGD三肽整體作為研究對(duì)象，故RGD與金紅石表面的相互作用模式與各組成殘基的動(dòng)態(tài)特性均密切相關(guān)。倘若RGD僅通過C端或Asp側(cè)鏈的羧基與表面Ti鍵合（如M1和M4），則自由的Arg和Gly殘基傾向于朝著溶劑空間伸展，以期與周圍水層形成穩(wěn)定的氫鍵網(wǎng)絡(luò)；倘若RGD中除羧基與表面Ti鍵合之外，胍基或氨基還能同表面O形成氫鍵（如M2、M3和M5），則 Asp殘基與基底的結(jié)合模式會(huì)受到肽鏈N端和Arg側(cè)鏈動(dòng)態(tài)行為的牽制，即RGD各組成殘基在吸附過程中會(huì)不斷地進(jìn)行位置調(diào)整，相互協(xié)作以得到能量有利的吸附構(gòu)象，故Asp與金紅石表面的結(jié)合模式與文獻(xiàn)略有不同。

在本文所建立的模型中，理想表面上僅有側(cè)鏈羧基同Tis原子形成了1對(duì)（M4）或2對(duì)（M1）鍵合關(guān)系，肽鏈N端的氨基或Arg側(cè)鏈胍基均未與表面形成任何直接作用。相比之下，在含有凹槽的基底表面，當(dāng)C端或Asp側(cè)鏈末端以單配位（M3）或橋式配位（M5）模式錨定于凹槽底部之后，假如肽鏈?zhǔn)Ｓ嗖糠值拈L度足以延伸至槽壁，那么氨基或胍基基團(tuán)與槽壁Os形成氫鍵的可能性將大大增加。然而，假如RGD以馬靴式結(jié)構(gòu)與槽底形成了多位點(diǎn)結(jié)合，即肽鏈兩端分別同基底表面穩(wěn)定結(jié)合，那么氨基和胍基基團(tuán)與槽壁原子形成氫鍵的概率將大大降低（M2）。綜上可見，由于凹槽側(cè)壁裸露的不飽和原子能為肽鏈與基底的結(jié)合提供更為豐富的潛在作用點(diǎn)，凹槽的存在確實(shí)能夠在一定程度上影響RGD同基底表面之間的作用模式。

為量化肽鏈與基底之間的結(jié)合強(qiáng)度，表1給出了各模型對(duì)應(yīng)的RGD—rutile相互作用能（最后1 ns）。可以發(fā)現(xiàn)，RGD—rutile相互作用能大小與基底表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有絕對(duì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系（凹槽尺寸小至無法容納整個(gè)肽鏈則另當(dāng)別論），而是主要取決于肽鏈與基底表面結(jié)合位點(diǎn)的數(shù)量及相互作用的類型。例如，RGD與理想表面之間的結(jié)合位點(diǎn)最少（1或2個(gè)），但由于Tis—OCOO? 鍵合作用能遠(yuǎn)大于氫鍵作用能，故與在凹槽Ⅱ表面上形成多位點(diǎn)結(jié)合的RGD相比，M1中以Tis—OCOO?-side二齒配位模式結(jié)合的 RGD—rutile相互作用能比 M3中以“Tis—OCOO?-side單配位”+“胍基-Os氫鍵”復(fù)合模式結(jié)合的RGD—rutile相互作用能略大。在RGD與凹槽Ⅰ表面的相互作用過程中，羧基一律以橋式配位模式同槽底鍵合，但由于M5中氨基和胍基均能同槽壁Os形成多個(gè)穩(wěn)定氫鍵，數(shù)量遠(yuǎn)大于 M2，因此 M5對(duì)應(yīng)的RGD-rutile相互作用能遠(yuǎn)大于M2（?123.42 kcal·mol?1vs ?92.79 kcal·mol?1）。

3 結(jié) 論

本文以全原子MD模擬作為研究手段，選取金紅石型 TiO2（110）表面作為基底材料，重點(diǎn)考察了廣泛存在于ECM蛋白黏連結(jié)構(gòu)域中的RGD序列能否通過帶負(fù)電的羧基基團(tuán)與表面 Ti原子形成直接鍵合的可能性，同時(shí)分析探討了納觀尺度的表面凹槽結(jié)構(gòu)是否會(huì)對(duì) RGD與基底表面的結(jié)合模式和結(jié)合穩(wěn)定程度產(chǎn)生影響，得到如下結(jié)論。

（1）RGD在金紅石表面存在穩(wěn)定錨定點(diǎn)是其C端或Asp側(cè)鏈上的羧基基團(tuán)突破第1水層屏障，與表面Ti原子形成直接相互作用的前提。

（2）凹槽側(cè)壁表層的不飽和原子能夠?yàn)殡逆溙峁撛谧饔命c(diǎn)，當(dāng)RGD通過羧基與表面Ti之間的鍵合錨定于槽底時(shí)，N端氨基或Arg側(cè)鏈胍基在鏈長許可條件下，向槽壁延伸并形成氫鍵的概率較大；當(dāng)RGD兩端以馬靴式結(jié)構(gòu)與槽底穩(wěn)定結(jié)合，則會(huì)顯著抑制肽鏈與槽壁之間氫鍵的形成。

（3）表面凹槽的存在能在一定程度上影響RGD同金紅石表面之間的結(jié)合模式，但兩者結(jié)合作用的強(qiáng)弱主要取決于結(jié)合位點(diǎn)的數(shù)量以及相互作用類型，與基底表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有絕對(duì)關(guān)系。

蛋白質(zhì)/肽序列的吸附是受各種因素綜合影響的復(fù)雜過程，表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征雖然只是材料表面性質(zhì)的一個(gè)方面，但在植入材料表面引入并構(gòu)筑特定的三維納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，考察其對(duì)蛋白質(zhì)/肽序列與基底之間結(jié)合行為的影響，有助于啟發(fā)人們?nèi)绾瓮ㄟ^優(yōu)化設(shè)計(jì)植入材料表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，空間調(diào)控仿生修飾因子在材料表面的分布模式，最終達(dá)到改善介入診療材料生物相容性的目的。因此，本文的研究工作可以為基于蛋白質(zhì)/肽序列修飾的鈦系植入材料的相關(guān)研究提供一定的理論指導(dǎo)。

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Molecular dynamics simulations of interplay between RGD and rutile surfaces with designed topographies

WU Chunya1,2, GUO Chuangqiang2, ZHENG Ting2, CHEN Ni2, CHEN Mingjun2, HE Xiaodong1
(1Postdoctoral Station of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, Heilongjiang, China;2School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, Heilongjiang, China)

The Arg-Gly-Asp sequence (RGD), a ubiquitous adhesive motif in extracellular matrix proteins, exhibits a high affinity to the predominant osteoblast integrin; thus it has been regarded as a promising candidate for biomimic coating to emulate biology in the fabrication of bone-anchored implant surfaces, especially the widely used titanium-based materials. The present study aims to explore the molecular scale events that occur when RGD is placed close to the rutile TiO2(110) surface by employing classical all-atom molecular dynamics simulations. Local grooves with different depths were introduced in the substrate surfaces to figure out the effect of surface topography on the binding modes of RGD with rutile. The simulation results show that the negatively charged carboxyl groups of RGD are able to break through the barriers from surface hydrations, forming direct bonds with the surface Ti atoms. However, this occurs on the premise that an anchoring site on the rutile surfacehas been provided to the peptide with an external intervention. Since the unsaturated atoms on the top-layer of groove walls seem to be underlying active sites for peptide adsorption, the presence of surface grooves will largely affect the RGD-rutile binding modes. If RGD can be locked on the bottom of groove via the direct bonds between carboxyl groups and surface Ti atoms, the positively charged groups (guanidine or amino group) are inclined to form hydrogen bonds with surface O atoms on the groove walls, when the length of the rest chain allows. However, once RGD is connected to the bottom of groove with both Arg and Asp side chains "trapped" in a "horseshoe" configuration, the formation of hydrogen bonds between the peptide and the groove walls will be greatly suppressed. The results also indicate that the dominant factors determining the binding strength of RGD-rutile complex are the concrete types of interaction and the number of jointing points. It is anticipated that the findings presented here will ultimately contribute to the biomimetic modification of implants, by suggesting how to tailor the surface topography of implants to induce the desirable biological function.

rutile; surface topography; peptide; molecular simulation; aqueous solution

GUO Chuangqiang, guochuangqiang@126.com

TG 146.2+3

：A

：0438—1157（2017）01—0199—09

10.11949/j.issn.0438-1157.20160784

2016-06-06收到初稿，2016-09-09收到修改稿。

聯(lián)系人：郭闖強(qiáng)。

：吳春亞（1982—），女，博士，副教授。

國家自然科學(xué)基金委員會(huì)創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金項(xiàng)目(51521003)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(AUGA5710058415)；中國博士后基金項(xiàng)目(2015M581439)；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃項(xiàng)目(B07018)。

Received date: 2016-06-06.

Foundation item: supported by the Foundation for Innovative Research Groups of the National Natural Science Foundation of China (51521003), the Fundamental Research Funds for the Central Universities (AUGA5710058415), the China Postdoctoral Science Foundation (2015M581439) and the Program of Introducing Talents of Discipline to Universities (B07018).