β-钛合金表面纳米活化、可诱导骨再生及抗菌多功能生物表层的构建及其性能评价

The high elastic modulus, insufficient osseointegration and osteoinductivity as well as bad antibacterial activity of the titanium-based alloys significantly compromise their applications on clinic. To solve aforementioned problems, we design and fabricate bioactive, osteoinductive and antibacterial bio-layer on β-titanium alloy by means of dual surface mechanical attrition treatment and ion implantation processes. The above method can avoid the adhesion issue of substrate and coating, besides that, which can also coordinate the contradiction of cytotoxicity and antimicrobial ability of the surface during ion implantation. The effect of surface mechanical attrition treatment parameters on the microstructure of the surface nanolayer will be explored, and the mechanism of how the nanostructured layer generated will be disclosed. The influence of grain refinement on the depth and content of the implanted ions will be studied, and the interface between the modified layer and the bone in vivo will be explored, in addition, the effect of the microstructure of different modified layers on the osteoblast, bone marrow stromal cell adhesion and osteogenic expression (including proliferation, differentiation and matrix mineralization) as well as bacterial adhesion and proliferation in vitro will be realized. In order to facilitate the β-titanium alloy to be used on clinic, a project to gain a modified nanolayer with bioactivity, osteoinductivity and antimicrobial ability will be proposed.

针对目前临床使用钛基合金弹性模量高，骨整合、骨诱导能力差及易引起周围宿主组织感染等问题，采用表面机械研磨处理及离子注入复合改性的方法，突破传统改性涂层与钛合金基体之间弱界面结合的制约，立足于协调高效抗菌注入剂量需求与避免细胞毒性注入剂量控制之间的矛盾，在β-钛合金表面设计并制备纳米活化、可诱导骨再生及抗菌的多功能生物改性层。探索β-钛合金表面纳米结晶层微观组织结构与表面机械研磨工艺参量之间的变化规律，揭示β-钛合金表面纳米结晶层的形成机理；研究表层晶粒细化对注入离子深度、剂量等的影响规律，探索不同微观结构改性层植入动物体内后与骨的结合情况，揭示改性层对体外成骨细胞、间充质干细胞附着及功能表达（增殖、分化、矿化等）、细菌粘附及增殖的作用效应和机制，提出β-钛合金表面生物活化、可诱导骨再生及抗菌多功能生物改性层的结构优化构建方案，为其满足临床应用奠定基础。

钛金属弹性模量高、骨整合、骨诱导能力差及易引起周围宿主组织感染等问题制约其骨修复临床应用。本项目发明了表面机械研磨-离子注入复合改性技术，在弹性模量更接近人骨的新型β-钛合金（Ti-25Nb-3Mo-3Zr-2Sn，简称TLM）表面制备出晶粒尺寸为纳米级的结晶层，考察了表面机械研磨引起的表层结构及性能变化对生物活性的影响：表面机械研磨在TLM钛合金表面诱发的表层晶粒细化、粗糙度增大、亲水性变好及氧元素化学状态的改变均是表层生物活性增强的原因。在上述纳米活化的TLM钛合金表层注入了Mg及Ag离子，揭示了不同注入剂量对纳米改性层微观组织结构的影响：过大的注入剂量破坏了TLM钛合金表面的纳米结晶层，使表层非晶化，适中的注入剂量成功的将Mg、Ag两种离子引入到TLM钛合金的纳米结晶表层且不伤害表层的纳米晶粒结构。阐明了注入离子在改性层中的存在状态，Mg及Ag离子分别以MgO和单质Ag的形式镶嵌在β-Ti基体中，晶粒尺度分别为15及7 nm左右。揭示了复合改性层对干细胞功能表达的调控作用及机制，体外细胞共培养实验显示，复合改性层能显著增强骨髓间充质干细胞的黏附、增殖、骨向分化及功能表达，兔骨中种植实验进一步证实复合改性层可以提高周围新骨生产量及新骨与植入体的接触率，从而增强植入体与宿主骨的牢固程度。此外，对比纳米活化表层，注入后的复合改性层能明显杀死表面附着的细菌，表现出良好的抗菌性，且复合改性层杀死细菌的方式为直接接触杀菌；研究结果表明，采用表面机械研磨-离子注入复合改性技术，可使β-钛合金具有优良的生物活性、骨诱导性及抗菌性，从而克服钛基合金临床医用瓶颈，延长植入使用寿命。本项目发表SCI/EI收录论文6篇（其中影响因子大于5的论文1篇），CSCD收录论文1篇，申请发明专利4项（2项处于实质审查中），在国际学术会议上发表会议论文2篇，并在国内作学术邀请报告1次，培养在读硕士生两名。