Op titanium gebaseerde materialen worden veel gebruikt in de medische implantaattechnologie. Het bekleden van het oppervlak van titaniummaterialen met biologisch actieve moleculen heeft recentelijk een belofte getoond om de manier waarop cellen aan implantaten hechten te verbeteren en weefselregeneratie te bevorderen. De mechanismen achter hoe peptiden aan titanium blijven plakken, echter, worden niet volledig begrepen.

Onderzoekers van de Deakin University in Australië ontdekten hoe calciumionen die aanwezig zijn op het grensvlak tussen titaniumoxide en weefsels van invloed zijn op hoe goed peptiden aan het metaal binden. Het team rapporteert hun bevindingen in een speciale uitgave van Bio-interfasen , dat benadrukt vrouwen op het gebied van biointerface-wetenschap. Met behulp van recent ontwikkelde tools in moleculaire dynamica-simulaties, de bevindingen van de groep geven een vroeg inzicht in hoe we ooit de samenstelling van zout zouden kunnen gebruiken om de reacties tussen titaniumimplantaten en het lichaam nauwkeurig af te stemmen.

"Dit werk draagt ​​bij aan een langlopende en voortdurende inspanning om systematische verbeteringen voor dragende implantaatmaterialen te identificeren, " zei Tiffany Walsh, een auteur op papier. "Het bindingsgedrag dat we hebben geïdentificeerd voor deze peptiden in de aanwezigheid van ionen kan anderen leiden bij het ontwerpen van nieuwe implantaatcoatings."

Er wordt aangenomen dat het coaten van titaniumoppervlakken met biomoleculen om aan gastheerweefsels te hechten, wordt geholpen door nabijgelegen anorganische ionen in het lichaam. Vanwege hun hogere positieve lading en rol in celsignalering, calciumionen worden vermoed bijzonder nuttig te zijn.

Om deze vragen aan te pakken, Walsh en haar collega's maakten een computermodel van het geoxideerde oppervlak van titanium. De groep simuleerde twee titaniumbindende peptiden, Ti-1 en Ti-2, in oplossingen van calciumchloride en natriumchloride met behulp van moleculaire dynamische simulaties. Deze berekeningsbenadering benadert en modelleert de interacties tussen de talrijke moleculen in een systeem. In hun model ze vertrouwden op een geavanceerde techniek genaamd replica-uitwisseling met ontlaten van opgeloste stoffen die de verkenning van de peptidestructuren versnelt.

De groep ontdekte dat positief geladen calciumionen Ti-1 hielpen om zich aan het titaniumoppervlak te hechten door te fungeren als een verbinding tussen het negatief geladen titaniumoxide en asparagine, een residu binnen het Ti-1-peptide. Dit proces leidt er vervolgens toe dat andere resten zich direct vastzetten op het titaniumoxide-oppervlak. Voor Ti-2, echter, calciumionen bleken de toegang tot het oppervlak te beperken.

De gegevens van hun simulaties wijzen op verbeterde principes voor het ontwerpen van peptiden met een afstembare affiniteit voor toepassing van titanium. Walsh zei dat ze verwacht dat hun bevindingen zullen leiden tot verdere verkenning van de titanium-weefselinterface, inclusief moleculen met één bindend domein voor titanium en één voor biomoleculen.

"Titanium is een veelgebruikt implantaatmateriaal, en ons begrip van hoe de interactie tussen titanium en levend weefsel gunstig kan worden gemoduleerd, hoewel zeer geavanceerd, heeft nog veel te gaan, " zei Walsh. "We willen bijdragen aan deze voortdurende inspanning."