Titanbaserade material används ofta i medicinsk implantatteknik. Att belägga ytan av titanmaterial med biologiskt aktiva molekyler har nyligen visat lovande att förbättra hur cellerna fäster vid implantat och främjar vävnadsregenerering. Mekanismerna bakom hur peptider håller sig till titan, dock, är inte helt förstådda.
Forskare vid Deakin University i Australien fann hur kalciumjoner som finns i gränssnittet mellan titanoxid och vävnader påverkar hur väl peptider binder till metallen. Teamet rapporterar sina fynd i ett specialnummer av Biointerfaser , det lyfter fram kvinnor inom biogränssnittsvetenskap. Med hjälp av nyligen utvecklade verktyg i molekylära dynamiksimuleringar, gruppens resultat ger en tidig förståelse för hur vi en dag kan använda saltets sammansättning för att finjustera reaktionerna mellan titanimplantat och kroppen.
"Detta arbete bidrar till en långvarig och pågående insats för att identifiera systematiska förbättringar för bärande implantatmaterial, "sa Tiffany Walsh, en författare på tidningen. "De bindningsbeteenden vi har identifierat för dessa peptider i närvaro av joner kan vägleda andra i utformningen av nya implantatbeläggningar."
Man tror att beläggning av titanytor med biomolekyler för att fästa vid värdvävnader underlättas av närliggande oorganiska joner i kroppen. På grund av deras högre positiva laddning och roll i cellsignalering, kalciumjoner misstänks vara särskilt användbara.
För att ta itu med dessa frågor, Walsh och hennes kollegor skapade en datormodell av den oxiderade ytan av titan. Gruppen simulerade två titanbindande peptider, Ti-1 och Ti-2, i lösningar av kalciumklorid och natriumklorid med hjälp av molekylära dynamiksimuleringar. Denna beräkningsmetod approximerar och modellerar interaktionerna mellan de många molekylerna i ett system. I deras modell, de förlitade sig på en avancerad teknik som kallas replikbyte med löst härdning som påskyndar utforskningen av peptidstrukturerna.
Gruppen upptäckte att positivt laddade kalciumjoner hjälpte Ti-1 att fästa vid titanytan genom att fungera som en förbindelse mellan den negativt laddade titanoxiden och asparaginen, en rest i Ti-1-peptiden. Denna process leder sedan till att andra rester fäster direkt på titanoxidytan. För Ti-2, dock, kalciumjoner befanns begränsa tillgången till ytan.
Data från deras simuleringar pekar på förbättrade principer för att designa peptider med avstämbar anda till titanapplikation. Walsh sa att hon förväntar sig att deras resultat kommer att leda till att utforska gränssnittet för titan-vävnad ytterligare, inklusive molekyler med en bindningsdomän för titan och en för biomolekyler.
"Titan är ett vanligt implantatmaterial, och vår förståelse för hur vi på ett fördelaktigt sätt kan modulera interaktionen mellan titan och levande vävnad, medan den är mycket avancerad, har fortfarande mycket kvar att göra, "Walsh sa." Vi vill bidra till detta pågående arbete. "
