激光蚀刻结合脱合金技术在Ti6Al4V表面构建乳突状微纳分级结构增强骨整合的研究

本文报道了通过激光蚀刻与脱合金技术相结合，在Ti6Al4V（TC4）植入体表面构建具有乳突状微图案（micropattern）与纳米多孔结构（nanoporous structure）的微纳分级结构（ldTC4）。研究表明，该结构相较于单一纳米多孔（dTC4）或乳突微结构（lTC4）显著促进细胞粘附、铺展、增殖及成骨分化（ALP活性、胶原分泌、基质矿化等），并在大鼠体内实验中展现出优异的生物相容性与骨整合（osseointegration）能力，为硬组织植入材料表面功能化设计提供了新策略。

　　

材料

Ti6Al4V材料购自安徽合肥望核金属材料有限公司。无水乙醇和氢氧化钠购自广东汕头西陇科学股份有限公司。生物实验所需试剂购自上海碧云天生物技术有限公司。

制备ldTC4

将Ti6Al4V（TC4）依次使用1000、2000、5000和7000目SiC砂纸抛光，并分别在无水乙醇和蒸馏水中超声清洗10分钟。随后通过激光蚀刻技术在TC4表面构建设计的乳突状微图案（lTC4）。将lTC4样品置于1 mol/L NaOH溶液中，在60°C下进行电化学脱合金处理2小时，形成纳米多孔结构，最终获得ldTC4样品。作为对比，仅通过脱合金处理制备具有纳米多孔结构的dTC4样品，仅通过激光蚀刻制备具有不均匀纳米颗粒的乳突微图案lTC4样品。

形貌分析

通过SEM观察TC4、dTC4、lTC4和ldTC4植入体表面的形貌（图2）。抛光后的TC4表面相对光滑，但高倍镜下可见抛光划痕。dTC4表面在低倍下与TC4相似，高倍下显示均匀的纳米多孔结构，孔径约50-100纳米。lTC4表面呈现规则排列的乳突状微米级凸起，但高倍下显示由激光熔融重构形成的不均匀纳米颗粒。ldTC4表面成功整合了设计的乳突微米图案与脱合金形成的均匀纳米多孔结构，形成清晰的微纳分级形貌。

细胞行为

细胞在ldTC4表面表现出最佳的粘附与铺展形态，细胞伪足充分延伸并嵌入微纳结构中。CCK-8实验显示ldTC4组细胞增殖活性显著高于其他组（p<0.05）。ALP活性检测、成骨胶原分泌定量、基质矿化（茜素红染色）及PCR分析（Runx2、OPN、OCN基因表达）均证实ldTC4表面显著促进成骨分化，其效果优于单一纳米结构或微米结构。

体内骨整合

大鼠股骨植入实验表明，ldTC4植入体周围新生骨量最多，骨-植入体接触率最高，且炎症反应轻微。Micro-CT重建与组织切片（HE、Masson染色）进一步验证了ldTC4组在植入4周和8周后具有更快的骨愈合速度与更成熟的骨组织形成。

结论

本研究通过激光蚀刻与脱合金技术结合，在Ti6Al4V表面成功构建了具有乳突微图案与纳米多孔结构的微纳分级表面（ldTC4）。该表面显著增强细胞粘附、增殖、成骨分化及体内骨整合能力，为硬组织植入体表面功能化设计提供了新思路。