Poliüretan Yüzeylere Fibronektin Adsorpsiyonunun Moleküler Simülasyonu

Abstract

Malzeme yüzeylerine protein adsorbsiyonu tıbbi implantların biyouyumluluğu açısından önemli rol oynamaktadır. Protein adsorbsiyon mekanizmasını açıklamada deneysel yöntemlerin yetersiz olduğu görülmektedir. Moleküler modelleme ve bilgisayar simülasyonları biyomateryallerin biyolojik ortamdaki performanslarına yeni bir bakış açısı sağlamaktadır. Bu çalışmada, farklı konumlardaki fibronektin tip І modülünün iki farklı poliüretan yüzeyi üzerindeki adsorbsiyon mekanizmaları moleküler mekanik (MM) simülasyon yöntemi ile incelenmiştir. İlk olarak kristalin ve amorf iki poliüretan yüzeyleri (sırasıyla PU1 ve PU2) modellenmiş ve yapısal özellikleri hesaplanmıştır. Daha sonra yüzey ile polimer arasındaki adsorbsiyondan kaynaklanan etkileşim enerjisindeki değişimleri analiz etmek amacıyla her bir konum için enerji minimizasyonları uygulanmış ve madde yüzeyinden 3,5 ve 7Å uzaklıktaki amino asitlerin sayıları belirlenmiştir. Polimer yüzeyinden 7Å mesafede bulunan amino asitlerin yüzeye adsorplanmış kabul edilmesinin en doğru yaklaşım olduğu görülmüştür. Elde edilen sonuçlara göre daha fazla hidrofilik olan PU1 yüzeyi fibronektin ile PU2 yüzeylerine kıyasla daha güçlü etkileşim göstermektedir. Bu durum, kristal PU1 in düzgün bir yüzeye sahip olmasına ve böylece protein ile daha iyi ilişki kurabilmesine dayandırılabilir. Ayrıca adsorpsiyon çalışmalarında amino asitlerin için ψ ve Φ bağ açılarındaki değişim incelenmiştir. Bu bilgi polimer yüzeylerinin protein adsobsiyonunu artıracak şekilde fonksiyonel gruplarla şekillendirilmesi için kullanılabilir.

Protein adsorption on material surfaces play a key role in the biocompatibility of medical implants. Experimental methods are insufficient in the explanation of protein adsorption mechanism. Molecular modeling and computer simulations can provide a new aspect at the atomistic level about the performance of biomaterials in a biological environment. In this study, the adsorption mechanism of fibronectin type I module with different orientations on two different polyurethane surfaces studied by molecular mechanic (MM) simulations. Firstly, crystalline and amorphous two polyurethane (PU1 and PU2, respectively) surfaces were modeled and structural properties were estimated. Then, energy minimizations were carried out for each orientation, to analyze changes in the interaction energy between the surface and polymer due to adsorption, and the number of amino acids within a distance of 3,5 and 7Å from the surface was determined. 7Å distance from the polymer surface accepted best predictors for protein adsorption. Adsorption simulations showed that fibronectin was adsorbed more strongly on PU1 surface compared to PU2 surface, although the latter is less hydrophilic. This can be explained by the regular surface structure of crystalline PU1, allowing a better contact with the protein. Furthermore, the changes of ψ and Φ angles of the amino acids upon adsorption were also monitored. This information can be used to tailor polymer surfaces with functional groups to enhance protein adsorption.