随着人口老龄化和慢性疾病患病率的不断上升，对先进生物医学器械和植入物的需求持续增长，生物材料领域也在快速扩张以应对这一趋势 [1,2]。关节植入物、脊柱融合笼、冠状动脉支架和伤口敷料在整体力学性能上几乎没有共同之处，但它们都共享一个决定性特征：表面。器械最外层几纳米首先接触血液、细菌、蛋白质和细胞，植入物的生物学命运在很大程度上是在那里决定的 [3,4]。
生物医用涂层技术也随之发展。涂层提供了一种改变植入物与宿主之间生物相互作用的手段，并且能够结合无法在单一体相中调和的材料特性 [5]。应用于心血管支架的抗凝血涂层可显著防止血栓形成并促进愈合 [6]。骨科植入物上的生物活性涂层可减少炎症和组织排斥反应，并改善与周围骨骼的整合 [7]。已有涂层被开发用于包封和保护药物，实现体内靶向递送和受控释放 [8]。近年来，智能表面涂层——能够响应特定生物信号或病理状态而发生形态或化学变化——引起了科学界的广泛关注 [9,10]。该领域已从仅仅耐受机体的表面发展到被设计为指导机体的表面。
本期特刊汇集了涵盖这一转变过程的论文。它收录了关于用于生物医学应用的涂层和改性表面的合成、表征以及体外和体内性能的研究工作，涉及生物材料、生物植入物、生物传感器和一般医疗保健。涵盖的主题包括用于骨科、牙科和脊柱植入物、心血管支架、药物递送和生物传感的创新涂层材料和表面改性，本刊所呈现的六篇论文既展示了该领域的广度，也体现了其当前期望的方法学标准。
- 抗菌和免疫调节表面
细菌定植及其引发的异物反应仍然是植入物翻修的两个最常见原因，并且它们极难分别处理，因为伴随感染的炎症环境也会驱动纤维化包裹。Gao等人用一个单一表面和一个单一外部触发器同时应对这两个问题 [11]。通过一步大气等离子体喷涂，将黑色TiO2涂层直接沉积在钛上。还原的、富含氧空位的二氧化钛在近红外区域具有强吸收，作者表明，辐照不仅产生光热效应，还将涂层转变为疏水状态。所得表面抵抗细菌粘附，同时将巨噬细胞极化导向抗炎、促愈合的表型，成骨细胞在其上保持存活。这项工作有两个特征值得强调。首先，抗菌和免疫调节功能由单一涂层而非多层的独立试剂堆叠提供。其次，触发器在植入后施加，这避开了不稳定的预活化表面在储存和灭菌过程中所遭受的降解。
- 骨整合与表面能判据
骨整合不是由块体金属决定的，而是由其呈现给骨的表面决定的，表面形貌和化学共同设定生物反应。喷砂加酸蚀仍是骨内植入物表面形貌的临床基准，当前许多工作旨在不牺牲该已确立粗糙度的前提下为其添加生物活性。Mohammadnejad等人的研究正是如此，他们在喷砂酸蚀钛上沉积超亲水分级锐钛矿涂层，并评估模拟体液中的磷灰石形成以及成骨细胞的附着、铺展和分化 [12]。其最具启发性的方面是分析性的而非合成性的。作者不仅仅报告润湿性，而是将表面自由能分解为其色散和极性组分，并表明与磷灰石成核和成骨细胞响应相关的是极性项，而非接触角本身。文献中经常将超亲水性作为生物活性的替代指标而不附带任何机制；这类工作填补了缺失的环节。它还提出了该领域接下来必须回答的问题，即超亲水状态能否在包装、灭菌和生理暴露过程中得以保持，以及一旦表面被蛋白质层覆盖，润湿状态将如何演变。
- 作为药物释放系统的涂层
仅具有封闭作用的伤口敷料会使感染和慢性伤口缺乏所需的持续局部剂量，这推动该领域朝着将活性成分保持在材料中并在伤口床释放的设计方向发展。有两篇论文将涂层视为储库而非屏障。Gong等人报道的敷料将I型胶原与细菌纤维素结合，并负载杆菌肽以修复感染伤口 [13]。将复合物负载杆菌肽可在伤口床提供局部持续抗生素剂量，同时限制全身暴露，这正是感染和慢性伤口所需的，并且它解决了抗菌伤口护理中两种常见的失效模式：数小时内清除药物的突释和随之而来的生物膜耐受性。第二篇论文来自Mizrahi等人，解决了互补问题 [14]。亲水性活性物质容易分配到水性介质中，往往以单一突释方式洗脱，作者表明交联密度和涂层结构控制溶胀行为，并随之控制释放动力学。该配方刻意保持简单和可规模化，这在一个许多精巧释放系统难以在卷材或片材级别制造的领域非常重要。
- 超越植入物：光学和微环境界面
为器械设计的官能涂层以其产生的响应而非其接触的组织来评判，这就是为什么下面的聚吡咯化学以光学术语讨论。聚吡咯是一种导电聚合物，在生物电子学和生物传感领域有着悠久的历史，其混合离子和电子传导使其成为生物信号的有效换能器。Espinoza-Garcés等人通过等离子体聚合沉积该聚合物，并表征所得膜在多光子激发下的非线性光学响应，表明非线性可通过沉积条件调节 [15]。等离子体途径无溶剂、与基底无关，即使在真实器械的不规则几何形状上也具有粘附性，可调的光学非线性为界面以及传感架构中使用的共轭膜的无标记、全光学探测开辟了途径。
体内的细胞通过比自身更窄的空间迁移，而不是在开放表面上移动，这使得受限本身成为一个物理参数而非边界条件。最后一篇论文来自Hong等人，研究结合蛋白质涂层、纳米形貌和TGF-β抑制剂的受限微环境，考察鼻咽癌细胞通过通道的迁移 [16]。受限环境中的细胞迁移既对转移至关重要，也对细胞定植植入材料表面的方式至关重要，作者剖析了通常被孤立研究的三个变量：吸附蛋白质涂层、纳米形貌线索和TGF-β信号传导的药理学抑制。因此，该研究同时属于两个对话。它既是对肿瘤侵袭的研究，也是证明精心设计的表面和微环境可以作为探究细胞行为的工具。由于TGF-β也是形成植入器械周围纤维化包膜的主要驱动因素，这些发现直接关系到旨在抵抗包裹的表面的设计。
- 新兴主题与展望
综合来看，这些论文指向功能性界面设计的三个转变。第一个是从被动界面到响应性界面的转变。近红外照射、生化信号和病理微环境现在被用作触发器，这提出了下一代研究必须回答的一系列新问题：响应性表面能承受多少次循环，转变是否可逆，一旦其载荷或可触发状态耗尽，涂层会发生什么，以及宿主如何响应随时间变化的表面。
第二个转变在于表征。仅接触角已不再足够。表面自由能被分解为其组分，纳米形貌被定量而非定性描述，等离子体参数被作为工艺变量而非设置报告，非线性光学响应被作为功能输出测量。正是这种严谨性使机理主张得以提出，也是本集中报道的关联性能够转化为设计规则的原因。
第三个转变在于当前被认为是必要的生物学终点。存活率不再是生物相容性的充分度量：细菌粘附、巨噬细胞极化、成骨分化和受限条件下的迁移均作为主要结局出现。重要的剩余差距在于体外和体内行为之间。蛋白质冠形成、循环载荷下的机械磨损、灭菌和长期储存的影响、降解产物的去向以及大型动物数据的匮乏，仍然是有前景的涂层与上市器械之间的实际障碍。在这些方面的进展将同样依赖于标准化测试方案和透明报告，以及新化学，并将塑造涂层器械必须满足的监管预期。
我们感谢作者的贡献以及审稿人对每篇稿件评估的认真态度。我们希望本集既作为生物医用涂层技术现状的记录，也作为对尚待完成工作的激励。
