川大聂宇/黄崇湘教授团队《Biomaterials》：钛植入体表面晶体学调控提升成骨和耐腐蚀性能

许多钛植入体应用于人体后需终生服役，植入材料表面特性直接影响服役期间的稳定性。特别是表面修饰材料的晶面选择对生物活性和耐腐蚀性至关重要。其中，广泛存在于天然牙釉质及自然骨组织中的(002)晶面织构的纳米羟基磷灰石（HA）和锐钛矿型二氧化钛（TiO₂）更利于生物矿化，具有较高的抗生物腐蚀性能。然而，在钛表面同时实现HA晶面选择性矿化和锐钛矿TiO₂极具挑战。

近日，四川大学聂宇/黄崇湘教授发现，具有Ti（0002）基面强织构的纤维晶高强纯钛（FG Ti），可在其表面自然形成具有与HA(002)晶格匹配的锐钛矿TiO₂。利用这个特点，团队开发了一种高效简单的温和水热法，可在钛表面原位生长出一层薄而均匀的纳米HA(002)涂层，高度模拟了自然骨的微结构，从而实现了生物活性及抗生物腐蚀性的大幅提升。相关研究以题为Crystallographic plane-induced selective mineralization of nanohydroxyapatite on fibrous-grained titanium promotes osteointegration and biocorrosion resistance的文章发表在生物材料国际知名期刊Biomaterials上。

温和水热法具体包括先利用相转变溶菌酶赋予FG Ti表面螯合Ca²⁺的能力，紧接着在Ca(OH)₂ 和Ca(H₂PO₄)₂H₂O的混合水溶中液90 ℃反应3天，最终得到主要暴露晶面为(002)的纳米HA。这种纳米HA(002)还保留FG Ti表面本身的微槽状拓扑结构（图1），利于细胞发生接触诱导效应。

图1. FG Ti-纳米HA(002)的制备与表征

电化学腐蚀性能测试中，丝状晶高强纯钛（FG Ti）因其特有的Ti(0002)强织构与表面锐钛矿TiO₂在模拟体液和人工唾液中都展现出较商业用粗晶钛（CG Ti）更好的抗腐蚀能力。且相校于粗晶钛（CGTi）表面形成的纳米HA(100)，FG Ti表面形成的纳米HA(002)能更好地提升阻抗和腐蚀电位、降低腐蚀电流密度及腐蚀速率。扫描电镜观察显示，粗晶钛-纳米HA(100) 在腐蚀后有明显的蚀坑，而FG Ti-纳米HA(002)表面几乎没有蚀坑（图2）。

图2. FG Ti-纳米HA(002)在模拟体液和人工唾液中的电化学腐蚀测试

通过成骨前体细胞分化及迁移行为的表征，发现FG Ti-纳米HA(002)结合了纳米HA(002)优异的促成骨性能和纤维拓扑结构的接触诱导效应，相较于粗晶钛CGTi-纳米HA(100)的成骨分化水平获得了数量级的提升（图3）。

图3. FG Ti-纳米HA(002)表面增强的成骨细胞接触诱导效应及成骨分化

破骨细胞是骨整合过程中另一个重要的因素，主要负责骨吸收和骨分化过程的平衡，但它同时会腐蚀金属表面降低金属的力学性能。研究证实，FG Ti表面的微槽状拓扑结构会通过抑制肌动蛋白环的形成而抑制破骨细胞的活性，而纳米HA(002)更能进一步加速这种抑制效果，使得FG Ti-nHA(002)表面的破骨分化水平最低（图4）。

图4. FG Ti-纳米HA(002)对破骨细胞活性的抑制

最后在兔股骨植入实验中，通过对植入2周和7周的扭矩实验和对新骨组织的Micro-CT扫描与重建，证实了FG Ti-nHA(002)与骨组织的结合强度最高且能促进最多的新骨生长，在植入仅2周后就能达到最佳的骨整合效果（图5）。

图5. FG Ti-纳米HA(002)骨整合效果

此外，通过对不同时间点的骨组织染色证实，FG Ti-纳米HA(002)周围的新骨组织面积最大，骨-种植体接触常数最大，破骨细胞活性相关免疫组化染色也表明其在体内能显著抑制破骨细胞活性（图6）。

图6. FG Ti-纳米HA(002)体内增强成骨和抑制破骨的效果

总之，本研究基于丝状晶高强纯钛的强织构（0002）晶面和表面锐钛矿二氧化钛，利用简单温和水热法制备了以(002)晶面为主的纳米羟基磷灰石涂层，在亲水性、成骨分化、抑制破骨细胞分化和抗生物腐蚀性等方面都表现出更优越的性能。体内股骨植入实验进一步证明，术后能诱导大量新骨组织，仅在植入2周后就能达到优异的骨整合效果。

四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心/生物医学工程学院的聂宇教授和金蓉蓉副研究员为该论文的共同通讯作者，四川大学生物医学工程学院2019级博士生王若涵及华西口腔医院的李娟教授为本论文的共同第一作者。本研究得到了四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心张兴栋院士和四川大学航空航天学院黄崇湘教授的大力支持，受到国家自然基金、四川大学华西口腔医院探索与研发项目、四川大学-泸州市战略合作科技创新研发等项目资助。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S014296122400334X