钛支架的锶-铈表面功能化：释放元素掺入在骨植入应用中的潜力

《Biomedical Engineering Advances》：Strontium-cerium surface functionalization of titanium scaffold: unlocking the potential of element incorporation for bone implant application

本研究通过碱处理法在钛金属表面成功掺杂锶和铈元素，形成纳米网络结构层，显著提升表面亲水性、粗糙度及生物相容性。体外实验表明，改性表面对金黄色葡萄球菌和肠杆菌具有显著抗菌活性，且对MG-63细胞无毒性，促进细胞附着和基质矿化；体内骨整合实验证实其促进骨再生效果优于未改性钛。该策略为钛基植入物在骨修复和再生医学中的应用提供新方案。

　　本研究旨在开发一种结合了锶（Sr）和铈（Ce）元素的钛（Ti）金属表面纳米网络结构，以提升其生物相容性。通过采用碱液介导的表面改性方法，成功将这两种元素引入钛金属表面，这一过程通过扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDX）得到了证实，并进一步通过X射线光电子能谱（XPS）和高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）分析确认。研究还通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像、水接触角（WCA）测量、原子力显微镜（AFM）分析以及激光拉曼光谱技术，评估了表面形态、亲水性、粗糙度和表面相形成的变化，以验证这种表面改性方法在改善表面特性方面的有效性。结果显示，结合了Sr和Ce的表面具有良好的抗菌性能，能够对抗革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性菌（如大肠杆菌）。同时，该表面还被评估了其对MG-63细胞的体外细胞相容性以及在大鼠（Rattus norvegicus）模型中的体内骨整合性能。进一步的实验表明，这种双元素结合的表面能够促进更好的细胞附着、细胞骨架组织、非细胞毒性、蛋白质吸附、线粒体膜电位变化以及细胞外基质矿化，从而改善在3D打印支架上的骨形成效果，优于未经处理的表面。体内的评估，如X光、微CT成像和基于RT-PCR的成骨标志基因表达分析，进一步突出了在改性表面处骨再生和骨整合的改善。因此，将Ce和Sr离子结合在钛金属表面的协同效应可能对推动其在组织工程和再生医学中的应用具有重要意义。

钛作为一种广泛应用的金属材料，因其优异的机械性能和物理特性，受到生物医学领域研究人员的广泛关注。其突出的特性，如抗拉强度、耐腐蚀性和生物相容性，使其成为骨科和牙科应用的潜在候选材料。尽管基于钛的植入物在医学领域被广泛应用，但其固有的生物惰性性质导致了骨-植入物接触不足和骨愈合延迟的问题。为了克服这些限制，研究人员尝试了多种表面改性方法，以改善骨整合、抗菌性能、稳定性和在生理环境中的使用寿命。其中，基于碱液处理的表面改性方法被认为是一种有效的策略，它能够通过生成多孔的生物活性纳米结构氧化钛层来激活钛表面。根据先前的研究，经过氢氧化钠（NaOH）处理的钛样品在浸泡于模拟体液（SBF）溶液后能够促进磷酸钙的形成，这表明其在促进骨-植入物结合方面具有潜力。

近年来，将碱液处理与元素掺杂相结合的方法引起了研究人员的兴趣。这种策略旨在赋予钛金属表面显著的生物特性，如钙（Ca）、锌（Zn）、锶（Sr）和铈（Ce）等元素在促进成骨、抗氧化和抗菌性能方面的应用。锶离子在促进成骨细胞分化和骨基质矿化方面具有重要作用。作为人体内的一种重要微量元素，锶在骨代谢过程中发挥着关键作用，能够促进成骨细胞活性并抑制破骨细胞活性。研究表明，锶的存在可以诱导骨髓间充质干细胞（BMSC）的增殖，从而增强骨整合效果。此外，含锶药物已被广泛用于临床治疗骨质疏松症。先前对微弧氧化（MAO）涂层的研究显示，锶、钙和磷酸的结合能够有效改善细胞反应。类似地，锶功能化的羟基磷灰石也显示出对宿主组织的更强机械结合能力，并对骨矿化产生显著影响。

相比之下，铈（Ce）因其独特的氧化还原特性（Ce3?/Ce??）在骨科领域也受到广泛关注。铈不仅在生物医学领域展现出应用潜力，还因其独特的氧化还原特性而具有良好的抗菌活性、抗氧化活性和细胞相容性。它被广泛用于各种生物医学植入物的开发。同样，锶作为一种人体内的微量元素，在骨代谢和相关特性方面具有重要作用，使其成为生物医学应用的理想材料。研究表明，铈离子的抗菌活性具有较长的持续时间，并且在医学和涉及不同细胞系的实验中广泛应用，同时凸显了铈离子及其氧化物（如CeO?和Ce?O?）的细胞相容性。此外，铈氧化物在体内的骨再生潜力也显著，能够增强骨-植入物接触并改善骨整合效果。

本研究尝试将锶和铈离子引入钛金属表面，实现两种元素的协同功能化，以展示其在抗菌活性、细胞相容性和骨整合能力方面的潜力。尽管这两种元素在成骨潜力方面被分别研究，但将它们结合在钛表面的研究尚不充分。碱液处理的一个主要应用是，它可以在3D打印植入物中轻松复制，从而成为表面工程与3D植入物开发之间的桥梁。在此基础上，我们还评估了锶-铈结合系统的抗菌活性、体外细胞相容性以及体内骨整合性能，从而展示其在改善骨整合行为方面相比纯钛金属的优势。因此，我们相信，这种在钛金属表面的双元素掺杂技术有望降低感染风险，从而提升其在生物相容性和骨整合能力方面的表现，并结合一种具有生物仿生特性的层，为未来的临床试验提供依据。

在实验过程中，我们首先对商业纯钛样品进行了表面处理和准备。样品尺寸为10×10×1 mm3，经过抛光和超声清洗，分别使用丙酮、异丙醇和超纯水清洗15分钟。随后，将样品置于10 mL的5 M氢氧化钠（Sigma Aldrich）溶液中，在60℃下处理24小时。处理后，样品再与不同体积比的1 mM硝酸铈（Sigma Aldrich）和100 mM硝酸锶（Sigma Aldrich）溶液进行化学处理，如表1所示，处理温度为40℃，时间也为24小时。化学处理完成后，样品被加热至600℃，以进一步优化表面特性。

为了评估碱液处理和元素掺杂对钛金属表面特性的影响，我们采用了一系列分析技术。场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像显示，经过碱液处理的钛样品表面形成了纳米网络层，这种结构在后续的硝酸铈和硝酸锶处理以及600℃的热处理后仍然保持完整。根据先前的研究，高浓度的氢氧化钠处理可能会导致钛表面发生结构变化，但在此实验中，碱液处理后的表面形态并未受到破坏，反而得到了改善。此外，表面粗糙度和亲水性的提高有助于增强细胞附着和骨整合能力，而表面相组成的优化则进一步提升了其生物活性。

在体外实验中，我们评估了锶-铈结合表面对MG-63细胞的细胞相容性。结果显示，这种表面能够促进细胞的附着和生长，同时不会对细胞造成毒性影响。此外，通过蛋白质吸附实验和线粒体膜电位测量，我们发现该表面能够有效促进蛋白质的吸附，并维持细胞的正常代谢功能。这些实验结果表明，锶-铈结合表面在促进细胞活性和组织再生方面具有显著优势。

在体内实验中，我们使用大鼠胫骨缺损模型评估了锶-铈结合表面的骨整合性能。通过X光、微CT成像和基于RT-PCR的成骨标志基因表达分析，我们发现该表面能够显著促进骨再生和骨整合。特别是，与未处理的钛金属相比，锶-铈结合表面在促进新骨形成方面表现更为优异。这表明，这种表面改性方法在改善钛金属的生物相容性和骨整合能力方面具有重要的应用价值。

为了进一步验证表面改性对钛金属表面特性的影响，我们还进行了详细的表面表征分析。这些分析包括扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDX）、X射线光电子能谱（XPS）和高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）等技术。这些分析结果表明，表面形态、粗糙度、亲水性和表面相组成均得到了显著改善，这些变化对于决定钛金属的生物特性至关重要。此外，通过水接触角（WCA）测量，我们发现锶-铈结合表面的亲水性显著提高，有助于促进细胞附着和组织再生。

本研究的结果表明，通过采用碱液介导的表面改性方法，成功开发出一种结合了锶和铈元素的纳米网络结构氧化钛层，覆盖在钛金属表面。这种改性方法不仅提升了钛金属的表面特性，还显著增强了其生物活性。通过SEM-EDX、XPS和HR-TEM分析，我们验证了锶和铈元素的引入，并对其表面特性进行了优化。进一步的表面表征分析显示，表面形态、粗糙度、亲水性和表面相组成均得到了显著改善，这些变化对于钛金属的生物特性具有关键作用。此外，体外实验和体内实验的结果表明，这种双元素结合的表面在促进细胞附着、细胞骨架组织、非细胞毒性、蛋白质吸附、线粒体膜电位变化以及细胞外基质矿化方面表现出色，从而改善了在3D打印支架上的骨形成效果，优于未处理的表面。

在实际应用中，这种表面改性技术可以为钛金属植入物提供更优越的生物性能。由于钛金属的广泛应用，其表面改性技术的发展对于提升植入物的长期稳定性和生物相容性具有重要意义。通过将锶和铈元素结合在钛金属表面，可以有效改善其抗菌性能和骨整合能力，从而减少感染风险并促进组织再生。此外，这种表面改性方法还可以为3D打印技术提供新的发展方向，使其在生物医学领域中的应用更加广泛和有效。

本研究的创新之处在于，首次将锶和铈元素结合在钛金属表面，并通过纳米网络结构的形成来提升其生物相容性。这一方法不仅克服了钛金属固有的生物惰性问题，还通过引入具有生物活性的元素来改善其在生理环境中的表现。此外，通过结合表面工程和3D打印技术，该方法为开发具有更优良性能的植入物提供了新的思路。研究结果表明，这种表面改性方法在提升钛金属的抗菌性能、细胞相容性和骨整合能力方面具有显著优势，为未来的临床试验和实际应用提供了坚实的基础。

通过这一研究，我们不仅展示了表面改性技术在改善钛金属性能方面的潜力，还揭示了锶和铈元素在促进骨形成和组织再生中的重要作用。此外，该研究还强调了碱液处理在表面工程中的关键作用，以及其在3D打印植入物中的应用前景。这些发现对于推动钛金属在组织工程和再生医学中的应用具有重要意义。未来的研究可以进一步探索这种表面改性方法在不同生物医学应用中的效果，并评估其在不同实验条件下的稳定性。此外，还可以研究其他元素与钛金属表面的结合方式，以寻找更优的生物活性材料。总之，这种结合了锶和铈元素的表面改性技术为钛金属在生物医学领域的应用提供了新的方向和可能性。