钛表面多级纳米化及其选择性生物学行为

The interaction of biomaterials and mammalian cells dominates the bone tissue dynamics surrounding an implant. There are many differences between mammalian and bacterial cells in sensing the implant's surface. Based on these principles, this project proposes to combine the advantages of both hydrothermal and plasma immersion ion implantation techniques to surface modify titanium with hierarchical nanostructures and selectively control the cell behaviors via its unique physical and chemical signals. That is to promote desired bone cell fate processes (adhesion, replication, and differentiation) and suppress the adhesion and proliferation of bacterial cells. The microstructrues and phase transformation mechanisms of the structures will be characterized to reveal their kinetic and thermodynamic behaviors. The fabrication procedures of the structure will be optimized to obtain controllable and steady titanium surfaces with hierarchical nanostructures. The nanostructure-stimulated adhesion, replication, differentiation as well as the protein, gene expression behaviors of both bone and bacterial cells will be studied at the molecular level to reveal the interaction mechanism between these cells and the fabricated structures. This project proposes to make use of both chemical and physical techniques to entrust the tiamium surface with hierarchical nanostructures and stimulate high specific responses on mammalian and bacterial cells.The research results obtained in the present project may be used as important reference data in designing of biomaterials functionized with "controlled biological response" and "active repairing process", and fabricating titanium implants of both excellent osteogenic and antibacterial properties.

本项目基于材料表面特征调控细胞行为影响成骨的特点及细胞与细菌感知材料表面特征的差异性规律，提出将"水热合成"与"等离子体浸没离子注入"两种表面纳米化技术复合，在医用纯钛表面构建多级纳米结构，利用其特有的物理和化学信号促进成骨相关细胞粘附、增殖、分化，并抑制细菌粘附、增殖，获得具有选择刺激行为的钛表面。探讨多级纳米结构显微形貌和相结构调控机制,揭示钛表面多级纳米结构形成的热力学和动力学行为；优化上述纳米化工艺，实现多级纳米化钛表面的可控制备。从分子生物学层面研究成骨相关细胞及细菌在多级纳米结构钛表面的粘附、分化及增殖行为，检测相关蛋白、基因的表达规律，阐述多级纳米化钛表面调控细胞、细菌行为的作用机制。本项目将化学和物理表面纳米化技术复合，提出利用多级纳米结构选择性地调节细胞、细菌行为，可为钛表面"可控生物响应"和"主动修复"功能化提供理论依据，为成骨和抗菌兼具钛植入体制备提供基础数据参考。

利用细胞与细菌感知材料表面特征的差异性，通过调控材料表面的结构与组成实现钛材料的选择性生物学效应。本项目采用多种纳米化技术在钛材料表面构建多级微纳结构，探讨其形成机理和调控机制，探查成骨相关细胞及细菌在多级结构表面的生物学行为。获得以下结果：（1）以钛材料的水热处理为基本的纳米化工艺，通过参数的调控，如H2O2溶液水热处理可在钛表面制得纳米片和纳米棒结构，NaOH和H2O2混合溶液处理可获得纳米线、纳米尖与纳米棒。这些微结构的形成包括钛基体的腐蚀溶解，反应生成的钛酸盐或氧化钛的溶解和再沉积等过程。研究结果表明纳米结构钛表面能有效促进成骨类细胞的粘附、铺展与增殖，还能抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的粘附、增殖和生物膜的形成，表现出抑菌效应。基于这些纳米结构钛表面，应用银等离子体浸没离子注入技术构建次级纳米结构，获得多级纳米结构钛表面。发现纳米银颗粒在纳米线结构中暴露较多，而在纳米棒结构中完全嵌入。但不同纳米银嵌入形式的多级纳米结构均对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌表现出杀灭效果，说明其良好的抗菌性能。（2）采用NaOH和H2O2混合溶液分步连续处理，在钛表面制得具有微纳结构的钛酸钠薄膜。通过钛酸钠薄膜与锶和镁的离子交换，分别生成相应钛酸盐纳米结构薄膜。在溶液中，此种微纳结构钛表面可持久缓释锶和镁离子，不仅能显著提高β1整合素与肌动蛋白的表达水平，还能显著增强大鼠骨髓间充质干细胞的成骨分化活性，表现出具有良好的细胞相容性。此外，钛表面纳米结构的钛酸钠薄膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的粘附、增殖和生物膜的形成均具有抑制作用。（3）采用水热方法，可在镍钛表面获得层状双氢氧化物的纳米结构，这种纳米结构抑制基体中镍离子的释放。但是纳米结构的形貌可促进癌细胞在材料表面的粘附，导致材料表面微环境pH值的降低，诱发镍的释放，抑制癌细胞的增殖活性。此外，镍钛合金表面可制得石墨烯层，不仅能增强其成骨活性，还能获得较佳的抗菌性能。