人體骨、牙、關節等硬組織缺失需要人工材料重建其功能。效能優異的硬組織替代材料既有重大社會需求，其組成結構設計與構建更是材料學與生物醫學共同面臨的難題。作為當前共識的首選材料，鈦合金已廣泛應用於骨、牙、關節等硬組織的缺損修復及替代。然而，鈦合金植入體存在植入早期與宿主骨固定不穩、細菌感染等臨床應用瓶頸問題。針對上述問題，西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室憨勇教授團隊在鈦合金表面生物功能化塗層的幾何構形與化學組成設計方面開展研究，並取得系列進展。
已知，植入體與宿主骨的早期固定度取決於其對巨噬細胞介導的免疫響應的調控作用，然而奈米棒陣列塗層的免疫調控效應與其幾何構形參量（如：直徑、取向、間距）間的關係尚未釐清。因此，研究團隊構建了納米棒直徑、取向相同，僅棒間距不同的鈦酸鈉奈米棒陣列塗層，揭示了棒間距對巨噬細胞極化表型的調控效應及其調控血管生成和骨整合效應。
結果表明，相較於亞微米尺度棒間距，奈米尺度棒間距透過促進巨噬細胞粘附，加速其由M1促炎表型向M2抑炎表型轉化，進而促進內皮細胞募集並提升其血管生成能力，其中棒間距為約75 nm的陣列促進作用尤甚，其在植入大鼠股骨髁內植入2周後呈現出最強的骨整合性(圖1a)。
圖1 (a) 奈米棒陣列構形的免疫調控血管及骨生成效應
該成果發表於Chemical Engineering Journal 426 (2021) 131187-131201 (IF=13.273)。在此基礎上，向鈦酸鈉奈米棒陣列中摻雜生物活性離子——鍶 (Sr)，研究了Sr摻雜鈦酸鈉奈米棒陣列塗層對巨噬細胞極化行為及其對骨整合的調控效應。結果表明，相較於未摻雜的鈦酸鈉奈米棒陣列，Sr摻雜的奈米棒陣列能夠顯著加速其表面巨噬細胞由M1促炎表型向M2抑炎表型轉化，從而上調巨噬細胞內促成骨因子TGF-β和BMP2分泌，上述細胞因子聯合奈米棒釋放的Sr離子顯著提升了成骨細胞功能表達，該提升作用與奈米棒中Sr離子摻雜劑量程正相關。該成果發表於生物材料領域權威期刊Bioactive Materials 10 (2022) 323-334 (IF=14.593)。
另外，奈米棒陣列構形幾何參量還對其抗菌性具有重要調控作用。為釐清奈米棒頂端尖銳程度及長度與其對金黃色葡萄球菌物理刺破效應間的關係，構建了表層化學組成相同，奈米棒頂端尖銳度及長度不同的平端短棒（錐角為180°）、與平端短棒長度相同 (~ 469 nm)的尖端短棒 (錐角為50°)，與尖端短棒錐角相同但長度較長(~ 884 nm)的尖端長棒三種奈米棒陣列構形化塗層。
在相同細菌粘附力的驅動下，平端短棒在細菌胞壁表面產生的應力低於細菌胞壁最大抗拉強度(13 MPa)，透過增殖抑制對金黃色葡萄球菌起到弱的抑菌效應，而尖端奈米棒在細菌胞壁表面產生的應力高於13 MPa，因而能夠刺破細菌，在體內、外均呈現強的殺菌效應(殺菌率 > 96%)，其中，尖端短棒因剛度大於尖端長棒大，其呈現更強的殺菌性，且在細菌感染鼠脛骨植入模型內展現出高的骨整合性；利用有限元模擬，定量計算出奈米棒能夠刺破金黃色葡萄球菌胞壁所應具有的最大頂端錐角為138 °，並擬合出奈米棒頂端錐角與其在球菌胞壁表面誘發應力間的關係曲線(圖1b)。
圖1(b) 奈米棒陣列頂端尖銳度與其刺破細菌間的關係
該成果線上發表於生物材料領域權威期刊Bioactive Materials (IF=14.593)。研究成果中所建立的鈦合金表層結構設計原理與構建技術有望克服鈦合金臨床應用瓶頸問題，最終惠及廣大硬組織缺失患者。
上述系列研究成果在西安交通大學憨勇教授指導下完成，主要參與人員包含西安交通大學材料學院博士生餘冬梅、葉晶、青年教師李博副教授以及空軍軍醫大學郭徵教授。西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室為系列論文的第一通訊單位，研究工作得到了國家自然科學基金重點專案及面上專案支援。
拓展閱讀：
西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室的前身是1963年高教部和國家科委批准成立的金屬材料及強度研究室和1985年國家教委批准成立的金屬材料強度部門開放實驗室。實驗室著重研究材料力學行為基本規律、特異現象和材料服役效能，主要研究方向包括：材料形變與相變行為的多尺度效應; 表層與介面材料及效能表徵; 高效能材料的物理化學原理及其多功能設計最佳化; 嚴酷工況下材料服役效能。
憨勇，2003年至今任西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室副主任。兼任中國材料研究學會青年委員會常務理事、中國機械工程學會表面分會“生物材料表面工程專業委員會”副主任、中國生物醫學工程學會生物材料專業委員會委員、中國矽酸鹽學會生物材料專業委員會委員、“西安交通大學學報”編委。作為專案負責人主持國家、省部及企業科研專案20餘項。主要研究領域（方向）為先進薄膜與功能塗層，生物醫用與仿生材料，多孔金屬功能材料。
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素材來源：西安交通大學材料學院官微、西安交通大學官網、西安交通大學材料科學與工程學院官網
