Einfluss von Calcium- und Phosphationen auf die Adhäsion von Proteinen an Titandioxidoberflächen
Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Auf dem Weg zu einer detaillierten Beschreibung der Grenzfläche Titan/Gewebe hat das Projekt folgende Fortschritte gebracht: (1) Bisher war die Frage offen, wieweit man sich bei Simulationen der Titanimplantate auf die Oxidoberfläche beschränken kann, oder ob das Metall einen Einfluss hat und z.B. amorphes Oxid zu erwarten ist. Aufgrund der unerwarteten Zusammenarbeit mit Prof. Pacchioni im Rahmen der COST D41-Action konnte die Grenzfläche Metall/Oxid untersucht werden. Das Metall bewirtete in den untersuchten Systemen nur in wenigen Lagen eine merkliche Verzerrung der Struktur, d.h. die fehlgeordnete Schicht war sehr dünn. Wir nehmen deshalb an, dass eine Schicht mit typischer Dicke außen zumindest lokal kristalline Struktur aufweist, und unser bisheriger Ansatz, auf kristallinem Oxid zu rechnen, wurde bestätigt. Die berechnete Ladungsübertragung vom Metall bewirkt nur eine vernachlässigbar geringe Veränderung der hohen Oxidladungen. Wir haben gezielt nach Modellen für kommensurable Oxidschichten gesucht, da sich beim Aufwachsen einer Passivierungsschicht auf dem Metall wahrscheinlich solche Schichten ausbilden. (2) Unser Kollagenmodell konnten wir durch flexible Telopeptide verbessern. Damit muss das Aufräufeln der Enden der Tripelhelices nicht mehr wie bisher künstlich durch fixierte Wasserstoffbrücken unterbunden werden. Trotz der noch kurzen Echtzeit der Berechnungen wurde die Ausbildung typischer Motive gefunden. Die Erweiterung des Kollagenmodells emnöglicht in ersten Ansätzen die Modellierung der Assoziation verschiedener Tripelhelices. Durch den Einsatz von GPU (graphic processor units) konnte der Umfang der Simulationen sehr stark erhöht werden. Bei allen Simulationen bleiben wir bei einem atomistischen Modell. Grobkörnige Ansätze können zwar Systemgröße und Rechenzelt stark erhöhen, verzichten aber auf eine genaue Darstellung des Lösungsmittels Wasser, die gerade an Oberflächen essentiell sein kann. (3) Rechnungen mit ab-initio Molekulardynamik zeigten, dass sich nur im Vakuum extrem starke Bindungen zwischen Titandioxid und Calcium- oder Hydrogenphosphat-Ionen ergeben. In wässriger Umgebung konnten die Ionen häufig während der Rechenzeit von z.B. 2 ps nicht die starren Wasserlagen durchdringen. Für HPO4^2- und H2PO4- wurde ein vorher von uns in DFT-Rechnungen entwickeltes flexibles Kraftfeld verwendet. Insbesondere die Calcium-Ionen bedeckten zum großen Teil die Oberfläche und waren mit negativen Gruppen des TiO2 und von adsorbierten Molekülen koordiniert. Es ist deshalb wahrscheinlich, dass das Ca^2+ die Adhäsion verstärken kann. Aufgrund des geringen Löslichkeitsproduktes spielt es in unseren Simulationen bei realistischen Konzentrationen nur auf der Oberfläche eine Rolle. Bei den hohen Konzentrationen, die wir eingesetzt haben, um eine Wechselwirkung mit den Biomolekülen und Oberflächen zu erkennen, flockten die Ionen aus und bildeten Assoziate. (4) Während dieser Arbeit haben wir Polysaccharide (Chondroitinsulfat und Hyaluronsäure) in das Kraftfeldmodell einbezogen, da diese Substanzen die Unterlage für Zellwachstum bilden. Die Konfigurationen der Saccharide wurden anhand von Ramachandranplots der beiden Torsionswinkel zwischen den Monomeren in Kraftfeld- und ab initio-Moleküldynamik analysiert. Die Adhäsion von negativen Gruppen des Chondroitinsulfats auf Titandioxid wird durch die doppelt geladenen Calciumionen verstärkt. Aufbauend auf die Modellierung von Polysacchariden wird in weiteren Rechnungen die experimentell interessante Assoziation von Heparin an Kollagen verfolgt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Molecular dynamics simulations on the interface between titanium dioxide and water droplets. A new model for the contact angle". J Phys Chem C (2009). 113, 10189-10197
B. Ohler, W. Langel
- "Adsorption Properties of Biomolecules onto Titanium Dioxide Surfaces", CCP 5 Annual Meeting, Sheffield, 13-15.9.2010
Bastian Ohler. Wenke Friedrichs, Walter Langel
- "Protein Adsorption on Titanium Dioxide Surfaces", 109. Hauptversammlung der Deutschen Bunsengesellschaft, Bielefeld, 13.-15.5.2010
Wenke Friedrichs. Bastian Ohler, Danara Abdulkarimove, Walter Langel
- "Adsorption of Collagen Nanofibrils on Rough TiO2: A Molecular Dynamics Study". Adv Eng Mat (2011) 13, B334-B342
W. Friedrichs, B. Ohler, W. Langel, S. Monti, S. Köppen
- "DFT Simulations of Titanium Oxide Films on Titanium Metal". J Phys Chem C (2013), 117, 358-367
B. Ohler, S. Prada, G. Pacchioni, W. Langel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/jp309827u)
