钛表面复合纳米阵列的可控构建及其细胞/细菌响应行为研究

It is important scientific significance and clinical value that nanostructural and functional surface modification of Ti-based implants provide an approach to address the critical problems and endow their good osteogeneitc activity and bacteriostatic action. Based on the principles of bio-nano interactions, and biomaterials with ordered surface structures, especially the TiO2 nanotubular topography are conducive to modulate bone cell and bacteria behaviors and activate their biological effects, this project aims to modify titanium by fabricating nanostructures with ordered texture and regular components for the mechanism studies systematically. Hence, the hybrid nanoarrays will be constructed by combining anodic oxidation with plasma immersion ion implantation technology in the project. The interactions between nanoarrays and plasma; especially the effects of plasma sheath distribution on the behaviors of inject ions will be investigated. Moreover, the surface protein adsorption, cellular responses (adhesion, migration and differentiation) and bacterial behaviors (adhesion and proliferation) will be probed, and the regulatory cues of nanostructural dimension, chemical composition or their synergistic effect will also be studied at the molecular biology level. This study will provide an insight into fabricating titanium implants with both excellent osteogenic and antibacterial properties.

生物活性低和缺乏抗菌性是钛植入材料临床应用中面临的主要问题，对其进行表面纳米功能化改性是提升性能的重要途径。基于材料与细胞/细菌的交互作用规律，以及材料表面微阵列和氧化钛纳米管阵列诱发特异性生物学效应等特点，本项目提出构建规则有序的纳米结构和元素组成的钛材料表面为系统深入地研究细胞/细菌响应行为及作用机制提供必要的分析基础。据此，本项目拟采用阳极氧化法结合等离子体浸没离子注入技术在钛表面可控构建复合纳米阵列，研究纳米阵列基体的离子注入效应及等离子体鞘层分布对注入离子行为的影响规律；探查复合纳米阵列表面细胞外基质蛋白的粘附，材料表面细胞粘附、迁移和分化以及细菌粘附和生长等响应行为，从分子生物学水平探讨复合纳米阵列的结构尺寸或化学组成对细胞/细菌行为的调控机制，以及两者的协同作用。通过上述研究，了解细胞/细菌行为的材料学调控因素，为制得兼具成骨和抗菌的钛植入体提供基础研究参考。

利用材料与细胞/细菌的交互作用规律，通过材料表面规则有序微阵列的可控构建诱发特异性生物学效应。本项目以钛材料的阳极氧化法制备规则有序的纳米孔和纳米管阵列，并辅助多种物理化学方法在钛表面可控构建复合纳米阵列，探讨其形成机理和调控机制，探查免疫细胞、成骨和成血管相关细胞以及细菌在规则有序复合阵列表面的生物学行为。获得以下结果：（1）以钛材料的阳极氧化法为基本制备方法，通过工艺参数的调整，在钛表面制得规则有序的纳米孔和纳米管阵列。这些有序阵列的结构参数与氧化电压、氧化时间等基本制备因素相关，通过参数调节，实现纳米阵列的可控制备。研究结果表明，相比于小管径纳米管阵列（~30nm），大管径纳米管阵列（~70nm）可促进其表面免疫细胞分化为抑炎症的M2型，其表达产物促进相关细胞的成骨分化和成血管作用明显，这可能与阵列结构与细胞功能结构尺寸相似，以及管/孔提供的营养物质输运通道有关。（2）结合等离子体浸没式离子注入以及微弧氧化等方法，可在钛表面可控制备含硅氧化钛纳米管/孔阵列。通过离子注入时间和微弧氧化电解液配方的控制，可获得不同硅离子浓度的复合阵列。研究发现，含硅复合纳米阵列明显提高成骨相关细胞的成骨和成血管能力，且细胞活性和相容性与复合阵列的硅含量存在关联。（3）采用湿化学法制得含金氧化钛纳米管阵列，通过不同纳米金含量的纳米复合阵列制备，发现纳米金的引入增强了蛋白在钛材料表面的粘附，其表面细胞活性也得到提高，呈现良好的成骨活性。此外，含金复合阵列具有较好的抗菌性能，其作用机理可能是纳米金微粒良好的捕获电子能力可破坏细菌的新陈代谢作用，从而杀灭细菌。（4）通过电沉积方法在钛表面可控制备氧化石墨烯/钛复合阵列。研究发现氧化石墨烯复合阵列提高成骨细胞的增殖活性和骨向分化能力，同时复合阵列也具有良好的抗菌性能，其原因可能与氧化石墨烯表面的含氧官能团产生的活性氧水平相关。