How is protein adsorption influenced by chemical properties of bioactive glass?

Abstract

Bioaktive glass er en viktig type biomaterialer og blir foreslått for ulike biomedisinske applikasjoner, fra regenerering av harde og myke vev, substitusjon av beinvev, bioaktive belegg, heling av sår, til kreftbehandling og legemiddeltransport. Den første interaksjonen bioaktive glass har med kroppen etter innsetting er proteinadsorpsjon. Dette styrer påfølgende biologiske mekanismer og er avgjørende for en vellykket integrering av biomaterialet. I dette arbeidet ble effektene av elektrostatiske og hydrofobiske interaksjoner på proteinadsorpsjon på bioaktivt glass vurdert gjennom et litteraturstudium. Proteiners konformasjonsendringer ved adsorpsjon, og hvordan dette påvirker overflateegenskaper til bioaktivt glass ble også diskutert. Grunnet proteiners komplekse struktur og de mange faktorer som påvirker proteinadsorpsjon på bioaktivt glass, er det vanskelig å trekke en entydig konklusjon. Forventet elektrostatisk oppførsel, at et positivt ladet protein adsorberer på en negativt ladet overflate, observeres ikke alltid, avhengig av det gitte proteinets strukturelle stabilitet. I stedet ser ikke-elektrostatiske krefter, som hydrofobiske interaksjoner, ut til å avgjøre adsorpsjon for elastiske proteiner. Stivere proteiner forventes i større grad å følge elektrostatiske prinsipper. Ytterligere undersøkelser av hvordan elektrostatiske og hydrofobiske interaksjoner sammen påvirker proteinadsorbsjon er nødvendig.

Bioactive glasses are an important class of biomaterials, being suggested for different biomedical applications ranging from hard and soft tissue regeneration, bone substitution, bioactive coatings, wound healing, cancer treatment and drug delivery. The initial interaction bioactive glasses have with the body upon insertion is protein adsorption. This governs further biological mechanisms and is determining for successful integration of the biomaterial. In this work, the effects of electrostatic and hydrophobic interactions on proteins adsorbing onto bioactive glass were evaluated through a review of literature. Protein conformational changes upon adsorption, and how this influences surface properties of bioactive glass is also covered. Because of the complex composition of proteins, and the multitude of factors determining protein adsorption on bioactive glass, it is not easy to reach a simple conclusion. Expected electrostatic behaviour, a positively charged protein adsorbing on a negatively charged surface, is not always observed depending on the structural stability of the given protein. Instead, non-electrostatic forces like hydrophobic interactions seem to determine the adsorption for flexible proteins. More rigid proteins are expected to follow electrostatic principles to a larger extent. Further investigation on the simultaneous contributions of electrostatic and hydrophobic interactions on protein adsorption is required.