钛表面间距可控纳米棒阵列的构建及其细胞/细菌响应机制研究

The interrod spacing of nanorod arrays on biomaterial surface, as well as the dimension, can strongly influence and control the behavior of the cells and bacteria. TiO2 nanorod arrays can be directly grown on titanium by the hydrothermal reaction. However, the interrod spacing is not controlled and the disordered layer is easily produced, which limit the application on biomaterials. TiCu precursor films will be deposited on titanium firstly before the hydrothermal treatment in this project. The interrod spacing and morphology of the nanorod arrays will be regulated and controlled by the incorporation and removal of copper element into/out of the surface of titanium. And then the controllable interrod spacing and vertically aligned TiO2 nanorod arrays will be prepared. Based on the characterization of the phenotypic properties and chemical composition of surface nanostructures, we will discover the reciprocal impact of growth, structure and crystallization kinetic behavior of TiO2 nanorod arrays and reaction parameters, copper and the content; we will investigate the bacterial adhesion and biofilm-forming abilities of nanorod arrays, and focus on the effect of the nanorod arrays with different interrod spacing on the adhesion, proliferation and differentiation of osteoblasts, fibroblasts and endothelial cells, and explore the relationship between biological performance，interrod spacing and morphology, and clarify the mechanism for guiding cell and bacterial behavior. This project will provide theoretical and experimental basis for the design to develop new biomaterials regulated by TiO2 nanorod arrays.

生物材料表面纳米棒阵列棒间距和纳米棒尺寸一样，也强烈影响和控制着细胞及细菌的行为。利用水热法在钛表面可直接生长二氧化钛纳米棒阵列，但纳米棒间距不可调控且表面易出现无序层，限制了其在生物材料领域应用。本项目拟首先在钛表面沉积钛铜前驱体薄膜，再水热处理，通过铜元素的引入与去除，调控纳米棒阵列棒间距和表面形态，进而制备间距可控、垂直排列的二氧化钛纳米棒阵列。通过物相分析，揭示水热反应参数、铜元素及其含量对纳米棒生长、结构与结晶动力学等的影响规律；研究纳米棒阵列表面细菌粘附行为及生物膜形成能力，重点关注这种不同棒间距纳米棒阵列对成骨、成纤维及内皮细胞粘附、增殖及分化等行为的影响，并探讨纳米棒阵列的棒间距、形态与生物学性能之间的关系，确定纳米结构对细胞、细菌行为调控机制。项目的实施可为表面由二氧化钛纳米棒阵列调控的新型生物材料设计提供理论和实验依据。

生物材料表面纳米结构和表面化学性质一样，也强烈影响和控制着其生物学行为。利用水热可在钛表面制备TiO2纳米棒阵列，但纳米棒间距不可调控且表面易出现无序层，本项目中我们首先在钛植入体表面沉积钛铜前驱体薄膜，再经后续酸洗及退火处理，去除纳米结构中铜元素，在钛表面制备了垂直排列、间距可控的TiO2纳米棒阵列，发现纳米阵列长时间与细菌作用，具有一定抗菌能力，但短时间内调整纳米阵列间距也无明显杀菌能力；利用微弧氧化和水热复合技术，在钛表面构建了纳米束、纳米棒、纳米片结构，研究了纳米结构对细胞的影响，并通过动物实验评价了其骨整合能力，发现纳米叶结构可促进蛋白质的吸附，并与Si离子协同促进成骨和内皮细胞的粘附、铺展、增殖、分化及相关成骨、内皮功能提升，最终有效促进新骨生成。通过等离子表面合金化技术形成的微纳米结构，不仅显著提高了钛合金耐腐蚀和抗磨损性能，还可抑制细胞粘附和铺展；为了赋予植入体表面高效抗菌功能，在钛表面构建了MoS2、MoSe2、钛酸及稀土元素掺杂TiO2纳米阵列，在近红外激光辅助下，借助光热、光动力和纳米结构协同抗菌，在短时间10-20 min内可展现出优良的抗菌及抗生物膜能力，通过进一步修饰，改性的纳米阵列在抗感染的同时，还可有效促进新骨生成，进而促进骨整合。本项目通过调整水热参数、引入前驱体薄膜及光敏材料在钛植入体表面构建了不同纳米结构，可为植入体表面抗菌及促进骨整合界面设计提供参考。