纯钛表面形貌依赖性抑菌、促进成骨作用的机制及其在种植体骨整合修复中的作用研究

A multiscaled surface topography pattern model integrated with microstructure caused by sandblasting, sub-microstructure offered by a primary acid etching, and nanostructure produced by a secondary acid-etching treatment, was fabricated on Ti-based implant. The surface chemistry of these multiscale hierarchical structured surfaces kept consistent with the micro/submicroscale Ti surface. In pilot biological evaluations, it was found that these hierarchical Ti surfaces possessed topography-dependent antibacterial capacity and stronger osteogenic ability compared with the typical micro/submicrostructured Ti surface. In this study,the materials science basis for selective antibacterial capacity and osteogenic promotion ability of multiscale micro/nanostructured Ti substrates will be explored. The underlying biological mechanism responsible for the topography-driven variation in antibacterial capacity and osteogenic ability will be also studied at levels from animals, cells, to proteins and genes. In the end, the effect of the initial antibacterial capability of the multescale Ti surface on its osteogenic ability and the final osseointegration will be investigated.

创制抗菌、高成骨活性的牙种植体是口腔种植领域一个意义重大但却极具挑战性的问题。申请人基于一种喷砂、二次酸蚀联合减量法表面处理新策略，构建了新的微米/亚微米/纳米多尺度微纳复合结构纯钛表面，体外生物学评价发现这种微纳复合结构钛表面具有表面形貌依赖性的生物学性能，其在窗口期可有效抑制多种细菌的粘附、定植，且具有比经典的微米/亚微米结构钛表面更强的成骨活性。基于此，本研究将探索具有形貌依赖性的多尺度微纳复合结构钛表面选择性抑菌、促进成骨的材料学依据；从活体水平、细胞水平和蛋白、基因水平解析这种形貌依赖性的纯钛种植体表面选择性抑菌、促进成骨作用的生物学机制；并研究窗口期表面抑菌能力对种植体生物学性能和骨整合修复能力的影响和作用，揭示其在牙种植术中的临床意义。

牙种植术目前已获得了广泛的临床应用，这为大量缺牙患者带来了福音。目前，临床应用最广泛的种植牙系统都是成骨活性良好的微米尺度的粗糙表面种植系统，该结构最常出现的问题是新骨形成快但量却不足。同时，这类粗糙种植牙系统的表面微米结构具有和细菌相近的尺寸，有利于细菌粘附、定植，易导致种植相关的感染。因此，创制一个具有高成骨活性并具有抗菌能力的种植系统，加速种植修复过程、减少术后感染、提高临床种植成功率是目前钛种植体表面改性的重要研究方向。此外，由于对材料表面拓扑形貌分析方法的局限性以及单一形貌变量表面构建的困难性，至今为止，仍没有研究确切揭示纯钛表面结构-功能的关系。本研究基于仿生的策略构建了一系列新型多尺度微纳复合结构形貌的纯钛种植体表面。同时，创建了一套基于SEM图灰度的表面分析方法，研究微纳复合结构钛表面的拓扑结构与其理化性能和生物学性能之间的关系，探索具有形貌依赖性的多尺度微纳复合结构钛表面促进成骨的材料学依据。研究表明微纳复合结构的钛表面有更活跃的成骨行为，可获得更高的骨结合率和骨结合力；高度有序的分层结构是多尺度复杂钛种植体表面具有高成骨活性的根本原因；多尺度的复杂钛种植体表面有助于增强材料表面细胞与细菌共存时的竞争能力，最终提高种植的成功率。在此基础上，我们完整地揭示了常温下大气环境中形成的钛表面氧化层的结构，这对我们进一步理解钛氧化层的理化性质和变化规律提供了基础，为构建高活性纯钛表面提供了理论指导。