摘要：钛合金具有优良的机械性能、生物相容性等，被广泛应用于生物医学等领域。钛合金是一种惰性金属，与骨组织的结合能力较差。微观组织可显著影响钛合金植入物的表面性能，大量研究证明在其表面构建微米、纳米及微纳米复合结构可提高其骨整合率。

关键词：钛合金；微米结构；纳米结构；微纳米复合结构

Branemark教授创立的骨结合理论是种植修复的基础理论，对种植义齿的发展产生深刻影响。其后，在加拿大多伦多举行的“骨结合在口腔临床应用”国际会议确立了该理论在口腔种植发展中的指导性地位。钛合金具有低密度、高强度、无毒性、良好的生物相容性、力学强度、抗腐蚀能力等优良性能，是骨科和牙科应用中最常见的医用植入物金属材料。理想的种植体应具有良好的理化性能、生物安全性能和良好的生物活性。钛合金作为惰性金属，缺少刺激成骨细胞和骨细胞增殖的能力，主要依靠机械性锁合提供固位力。将钛及钛合金进行表面活化处理，可增强种植体与骨的结合，预防种植体周围骨吸收。表面改性技术能够基于机械、物理、化学等方法来改变钛合金植入体表面氧化膜的结构、化学成分等，从而进一步地提高其生物相容性、生物活性、耐磨性和耐腐蚀性等。种植体与骨组织能否形成良好的骨整合是评估种植成功与否的重要标志，而种植材料表面的显微结构特征是影响骨整合的重要因素。

表面结构对成骨细胞的生长和骨整合具有重要影响，细胞的粘附、伸展、分化都受到植入体表面结构的影响。已有学者通过纳米生物表征，分析出人体内的自然骨组织中存在着多级排列的结构。通常情况下，骨组织是由三种分子水平的结构组成： (1) 纳米结构 (从几纳米到几百纳米) , 包括非胶原的有机蛋白、纤维状胶原和嵌入的矿化晶体 (羟基磷灰石)； (2) 微米结构 (1~500μm)，包括薄片状骨、骨单位、哈弗氏系统；(3) 宏观结构，包括松质骨和皮质骨。数十年的临床实践和相关基础研究结果表明，适当粗糙的钛种植材料表面较之光滑的同质表面更有利于骨整合的形成，所谓种植材料粗糙表面，是指具有细胞可识别的微米、纳米级结构的表面。目前，改变表面形貌的主要方法是在钛合金表面构建微米、纳米或者微纳米复合结构，从而促进细胞在植入体表面的增殖和分化以及提高骨整合率。

1.表面结构对生物相容性的影响

1.1微米结构的影响

微米结构对生物材料的生物力学性能具有重要影响，微米结构可调节植入体表面细胞的生长和迁移，增加植入体表面积增强钛合金与骨细胞的机械嵌合，提高植入体的力学性能。其中，微米凹坑有助于纤维蛋白血凝块在钛合金表面的沉积和生长，进而提高骨整合率。

1.2 纳米结构的影响

与微米结构相比，纳米结构对于骨细胞的促进和调控作用更为显著。纳米结构有利于蛋白质的识别和沉积，通过与整合素蛋白的相互作用，促进细胞早期粘附和伸展。纳米结构通过影响纤维结合素中的RGD肽的构象，促进细胞之间的信息传递，进而影响细胞行为。纳米结构为骨细胞提供更好的生长环境，促进骨细胞的增殖和分化。研究表明，这些纳米结构可在相当大的程度上影响细胞的生物学行为，尤其是当其与微米结构形成层级复合结构时，这一效应更为显著。Andersson等比较了高185 nm、宽15 nm的沟槽和高100 nm、半径168 nm的纳米柱表面的细胞形态和细胞因子，部分细胞与沟槽一致并且发现有与平滑面生长的细胞类似的细胞因子。一些学者已经发现，70~100 nm的种植体表面能够促进细胞的粘附。

1.3微纳米复合结构

单纯的微米结构对细胞的粘附和成骨向分化具有促进作用，对细胞的增殖、细胞外基质矿化等其他行为无明显促进作用，故骨生成速度较慢；而单纯的纳米结构对细胞粘附及成骨细胞增殖有促进作用，而对细胞成骨向分化的作用存在争议。因此将两者结合，发挥各自优势，可获得协同效果，更好地调节细胞行为。此外，Albrektsson教授和Wennerberg教授的理论也为这一设想提供了一定的理论基础。他们将种植体表面性能划分为三部分：(1) 机械力学性能；(2) 形态学功能；(3) 物理化学功能。他们还指出这三部分性能密切相关、相互影响，改变其中任何一个性能，其它两种性能也可能随之发生变化。通过改变钛合金表面形态，来改变钛合金表面的理化性能以及生物活性成为可能。

天然骨是由骨板层、哈弗氏系统等微米级结构和非胶原有机蛋白、胶原纤维等纳米级结构联合构成。从仿生学的角度出发，设计制造一种表面包含微纳米多尺度特征的生物材料，重建与天然细胞生态位相类似的外基质环境，将会构筑起骨与植入体之间进行信息交互的桥梁，进而调控成骨细胞的行为。微米-纳米复合结构更好地模拟了天然骨的微观结构，更有利于骨细胞在其上的生长和功能活动。

2.表面微纳米结构的制备

2.1表面微米化

医用钛合金表面微米化处理的方法主要包括大颗粒喷砂酸蚀和改良的喷砂酸蚀，这两种方式是较为传统的种植体表面处理方式，目前已经广泛应用于临床领域。微米级粗糙表面有利于细胞成骨向分化，但可能对成骨细胞增殖存在抑制效应。因此，越来越多的学者致力于对钛种植体表面进行纳米级结构的修饰，即在材料表面制备至少在1个维度上尺寸为纳米级别 (通常认为1~100nm) 的显微形貌。酸蚀、碱热、水热、电子束刻蚀、阳极氧化等方法均为纳米级结构修饰的常用方法，可在钛种植材料表面制备纳米管、纳米球、纳米结节、纳米沟槽、纳米凹坑等几何形态不同的纳米结构。

2.2微纳米化制备方法

2.2.1离子注入技术形成的纳米结构

等离子注入即对钛种植体表面注入某种新的离子、原子、官能团来改变其本身的生物学活性或生物相容性。目前离子注入包括钙离子注入、银离子注入及镁离子注入等。这些离子由于自身性质不同，往往能给钛种植体带来不同的性能改变，比如注入的钙离子、镁离子能够提高种植体表面活性，注入的银离子能够使种植体具有一定的抑菌作用。离子注入技术虽然能改变种植体表面的性能，但离子涂层与种植体基体间的剥脱却是这种技术的最大缺点。

2.2.2激光熔覆技术形成的纳米孔

激光熔覆技术要求先在钛种植体的表面涂上一层1~2 mm的熔覆材料，然后利用高能激光将该熔覆层与钛基地的表层一同熔化，从而在钛种植体基体的表面形成具有不同离子或者不同结构的合金层。这一合金层能够明显改善钛种植体表面的耐热、耐摩擦性能。并且通过在这一合金层引入特定离子，可以使得该涂层具有不同的生物性能。有学者利用激光熔覆技术和羟基磷灰石，在钛种植体表面构建了生物陶瓷梯度涂层。研究结果表明，控制熔覆过程中的相关参数，可以使得形成的混合涂层与人体骨组织的结构非常相似，并且涂层结构中微孔的出现可有效促进骨组织的长入。

2.2.3微弧氧化技术形成的微纳米复合孔隙

微弧氧化是一种通过高压电弧直接在目标金属表面生成氧化物陶瓷膜的电化学技术。通过控制微弧氧化的反应参数，比如电压强度、处理时间等，可以在钛合金表面构建出的微米级表面再进一步构建出分布均匀的纳米级结构。较之于传统喷砂酸蚀处理钛合金表面的工艺，微弧氧化的参数控制更加有效也更加精确。并且，这种通过微弧氧化所形成的陶瓷相结构与基体材料的结合更牢固，结构也更为致密，具有良好的耐腐蚀和耐磨性。

2.2.4阳极氧化技术形成的纳米管阵

在阳极氧化中以钛金属为阳极，以银、铂等金属作为阴极，并在两者之间放入电解液，构成一个电池通路。然后，在电解液中施加一定的电压，在阳极钛金属的表面就会发生氧化反应，从而形成一层致密的氧化钛膜。这层致密的氧化膜可有效抑制金属离子的释放、增强金属的抗腐蚀性能，并具有一定的细胞生物活性，这些纳米级氧化钛管阵也被一些学者用于离子导入及药物载入。在喷砂酸蚀形成的微米级结构上，通过阳极氧化，构建纳米级的纳米管阵，是目前阳极氧化法实现种植体表面微纳米化的主要途径。

3.总结与展望

在医用钛合金的表面原位制备包含微纳米多尺度的形貌结构，是改善植入体骨整合性能的一大新兴途径。大量研究发现，不同尺寸纳米管管径的微纳米形貌其诱导成骨能力存在一定差异，但目前还缺乏纳米管管径对接种在经过微纳米处理的钛种植体表面细胞生物学行为的影响的系统评价及相关报道。随着对种植体表面微观结构研究的不断深入，越来越多的仿生微纳米复合结构被构建成功。但是，这些微观结构对成骨作用影响的机制还有待进一步深入的研究，以及继续探索钛表面不同管径的生物学行为尤其是成骨分化的机制，以期深入理解纳米管管径对细胞生物学行为的影响，为骨植入材料表面优化设计提供有指导意义的生物学依据。