模块化Ti-6Al-4V体外筛选系统：优化植入体孔隙结构与表面性能的新策略

本研究开发了一种创新的模块化Ti-6Al-4V多层堆叠模型，通过调控孔隙几何与表面处理（抛光/研磨），评估人源原代成纤维细胞的迁移与黏附行为。该系统为植入材料生物相容性（biocompatibility）的体外（in vitro）高通量筛选提供了可定制平台，有望减少动物实验并加速骨科植入物优化进程。

　　

引言

钛及其合金因其优异的耐腐蚀性和生物相容性被广泛应用于骨科植入物领域，其中Ti-6Al-4V已成为髋关节置换术的金标准材料。然而，植入体与周围组织间的弱相互作用可能导致无菌性松动、感染及异物反应等并发症。研究表明，通过优化植入体的表面特性（如粗糙度）和孔隙结构（包括孔径、几何形状和连通性）可增强骨整合并减少纤维封装。当前植入材料的临床前测试仍高度依赖动物实验，存在成本高、周期长及伦理争议等问题。尽管体外模型可为生物材料的初步评估提供有价值的信息，但专用于生物材料评价的测试系统仍较为有限。

材料与方法

研究采用工业激光切割制备Ti-6Al-4V板材（尺寸26×20×2.5 mm），并设计三种不同槽型图案：水平（H）、垂直（V）和矩形（R），以通过堆叠组合形成不同几何特征的孔隙通道。板材表面经手工研磨（1200目SiC砂纸）或抛光处理以对比表面性质的影响。使用原代人成纤维细胞（经伦理委员会批准分离）进行实验，细胞通过Calcein AM荧光标记后以滴加方式接种于顶层板材，并置于自定义3D打印支架中堆叠培养。细胞迁移通过荧光显微镜在第3天和第14天观察，细胞活性通过MTT法检测。表面形貌通过共聚焦显微镜量化粗糙度参数（Sa、Sz、Sv等）。

结果

表面形貌分析显示抛光与研磨组间无显著差异（p>0.05），但抛光表面视觉上更光滑。荧光显微成像表明细胞在所有堆叠模型（如HVR、VRH、RHV组合）中均发生迁移，甚至到达底层板材。细胞倾向于聚集于初始接种的液滴位置，并优先向孔隙深处迁移而非在表面铺展。MTT检测显示各模型间细胞活性无一致差异，且表面处理（抛光/研磨）未导致显著变化。在后续开展的圆形蜂窝状结构实验中，细胞在边缘区域形成片状聚集，与文献中描述的细胞在曲率结构中的生长行为一致。

讨论

该研究建立的模块化堆叠系统成功模拟了三维孔隙环境，并实现了对原代人成纤维细胞迁移行为的可视化追踪。结果表明细胞更倾向于向植入体内部迁移而非表面扩展，这为设计促进组织长入的植入体结构提供了参考。MTT结果的相似性提示孔隙通道的相似性可能导致迁移路径趋同，而表面粗糙度的微小差异未显著影响细胞行为。未来需进一步优化结构尺寸（如采用更小的仿生蜂窝孔径）并改进表面处理的自动化程度以提升数据一致性。该模型可作为植入材料生物学评价的早期筛选工具，尤其适用于细胞毒性（cytotoxicity）和迁移能力评估，但需注意体外系统无法完全模拟体内环境的复杂性（如血管化、免疫应答等）。

结论

研究通过Ti-6Al-4V多层堆叠模型证明了成纤维细胞在孔隙结构中的迁移潜力，且表面处理（抛光/研磨）未引起细胞行为的显著变化。未来需引入更仿生的微观几何设计（如蜂窝结构）并优化表面制备工艺。该体外平台为植入材料生物相容性和细胞迁移研究提供了可定制、可重复的筛选系统，有助于减少动物实验并加速材料优化进程。