西安交通大学材料科学与工程学院（国际关注）

人体骨、牙、关节等硬组织缺失需要人工材料重建其功能。性能优异的硬组织替代材料既有重大社会需求，其组成结构设计与构建更是材料学与生物医学共同面临的难题。作为当前共识的首选材料，钛合金已广泛应用于骨、牙、关节等硬组织的缺损修复及替代。然而，钛合金植入体存在植入早期与宿主骨固定不稳、细菌感染等临床应用瓶颈问题。针对上述问题，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室憨勇教授团队在钛合金表面生物功能化涂层的几何构形与化学组成设计方面开展研究，并取得系列进展。

已知，植入体与宿主骨的早期固定度取决于其对巨噬细胞介导的免疫响应的调控作用，然而纳米棒阵列涂层的免疫调控效应与其几何构形参量（如：直径、取向、间距）间的关系尚未厘清。因此，研究团队构建了纳米棒直径、取向相同，仅棒间距不同的钛酸钠纳米棒阵列涂层，揭示了棒间距对巨噬细胞极化表型的调控效应及其调控血管生成和骨整合效应。

结果表明，相较于亚微米尺度棒间距，纳米尺度棒间距通过促进巨噬细胞粘附，加速其由M1促炎表型向M2抑炎表型转化，进而促进内皮细胞募集并提升其血管生成能力，其中棒间距为约75 nm的阵列促进作用尤甚，其在植入大鼠股骨髁内植入2周后呈现出最强的骨整合性(图1a)。

图1 (a) 纳米棒阵列构形的免疫调控血管及骨生成效应

该成果发表于Chemical Engineering Journal 426 (2021) 131187-131201 (IF=13.273)。在此基础上，向钛酸钠纳米棒阵列中掺杂生物活性离子——锶 (Sr)，研究了Sr掺杂钛酸钠纳米棒阵列涂层对巨噬细胞极化行为及其对骨整合的调控效应。结果表明，相较于未掺杂的钛酸钠纳米棒阵列，Sr掺杂的纳米棒阵列能够显著加速其表面巨噬细胞由M1促炎表型向M2抑炎表型转化，从而上调巨噬细胞内促成骨因子TGF-β和BMP2分泌，上述细胞因子联合纳米棒释放的Sr离子显著提升了成骨细胞功能表达，该提升作用与纳米棒中Sr离子掺杂剂量程正相关。该成果发表于生物材料领域权威期刊Bioactive Materials 10 (2022) 323-334 (IF=14.593)。

另外，纳米棒阵列构形几何参量还对其抗菌性具有重要调控作用。为厘清纳米棒顶端尖锐程度及长度与其对金黄色葡萄球菌物理刺破效应间的关系，构建了表层化学组成相同，纳米棒顶端尖锐度及长度不同的平端短棒（锥角为180°）、与平端短棒长度相同 (~ 469 nm)的尖端短棒 (锥角为50°)，与尖端短棒锥角相同但长度较长(~ 884 nm)的尖端长棒三种纳米棒阵列构形化涂层。

在相同细菌粘附力的驱动下，平端短棒在细菌胞壁表面产生的应力低于细菌胞壁最大抗拉强度(13 MPa)，通过增殖抑制对金黄色葡萄球菌起到弱的抑菌效应，而尖端纳米棒在细菌胞壁表面产生的应力高于13 MPa，因而能够刺破细菌，在体内、外均呈现强的杀菌效应(杀菌率 > 96%)，其中，尖端短棒因刚度大于尖端长棒大，其呈现更强的杀菌性，且在细菌感染鼠胫骨植入模型内展现出高的骨整合性；利用有限元模拟，定量计算出纳米棒能够刺破金黄色葡萄球菌胞壁所应具有的最大顶端锥角为138 °，并拟合出纳米棒顶端锥角与其在球菌胞壁表面诱发应力间的关系曲线(图1b)。

图1(b) 纳米棒阵列顶端尖锐度与其刺破细菌间的关系

该成果在线发表于生物材料领域权威期刊Bioactive Materials (IF=14.593)。研究成果中所建立的钛合金表层结构设计原理与构建技术有望克服钛合金临床应用瓶颈问题，最终惠及广大硬组织缺失患者。

上述系列研究成果在西安交通大学憨勇教授指导下完成，主要参与人员包含西安交通大学材料学院博士生余冬梅、叶晶、青年教师李博副教授以及空军军医大学郭征教授。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为系列论文的第一通讯单位，研究工作得到了国家自然科学基金重点项目及面上项目支持。

拓展阅读：

西安交通大学金属材料强度国家重点实验室的前身是1963年高教部和国家科委批准成立的金属材料及强度研究室和1985年国家教委批准成立的金属材料强度部门开放实验室。实验室着重研究材料力学行为基本规律、特异现象和材料服役效能，主要研究方向包括：材料形变与相变行为的多尺度效应; 表层与界面材料及性能表征; 高性能材料的物理化学原理及其多功能设计优化; 严酷工况下材料服役性能。

憨勇，2003年至今任西安交通大学金属材料强度国家重点实验室副主任。兼任中国材料研究学会青年委员会常务理事、中国机械工程学会表面分会“生物材料表面工程专业委员会”副主任、中国生物医学工程学会生物材料专业委员会委员、中国硅酸盐学会生物材料专业委员会委员、“西安交通大学学报”编委。作为项目负责人主持国家、省部及企业科研项目20余项。主要研究领域（方向）为先进薄膜与功能涂层，生物医用与仿生材料，多孔金属功能材料。

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素材来源：西安交通大学材料学院官微、西安交通大学官网、西安交通大学材料科学与工程学院官网