《Surfaces and Interfaces》：Osteogenic Performance of Titanium Implants Modified with Bilayer Strontium-Doped Micro/Nanostructured Functional Coating
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钛植入体表面改性策略通过微弧氧化掺杂锶、电子束蒸发沉积纯钛层、阳极氧化构建多孔TiO?阵列，形成双层复合结构，显著提升表面粗糙度、润湿性、抗腐蚀性和弹性模量，促进MC3T3-E1细胞增殖及成骨分化，体内实验证实有效促进新骨形成，为高性能骨修复材料开发提供新思路。
作者：乐可彤、周武超、王铁标、张学娥、张旭、王杰、奚卫红
江西医学院口腔学院，南昌大学，南昌330006，中国
摘要
钛（Ti）植入物的生物活性不足仍然是骨缺损修复中的一个关键挑战。受到天然骨骼（哈弗斯系统）层次结构的启发，我们提出了一种新型的双层复合表面改性策略。首先制备了掺锶（Sr）的微弧氧化（MAO）层，以实现长期持续的锶释放。随后，通过电子束蒸发沉积120纳米厚的纯Ti中间层，然后进行阳极氧化（AO）处理，形成蜂窝状TiO?介孔阵列（MPs）。这种双层功能化的微/纳米结构表面能够实现持续的长期锶释放。通过扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）系统地表征了涂层的形态、成分和结晶性，并评估了其电化学和机械性能。结果表明，该双层涂层不仅实现了锶的持续释放，还表现出更好的表面粗糙度、润湿性和耐腐蚀性以及弹性模量。体外实验证实了其优异的生物相容性，并显著增强了MC3T3-E1细胞的增殖和成骨分化能力。进一步的体内实验表明，经过这种双层功能化改性的Ti植入物显著促进了新骨的形成。这种表面改性策略显著提高了Ti植入物的成骨能力，为开发下一代高性能骨修复材料提供了有希望的参考。
引言
临床上，钛（Ti）及其合金被广泛用作金属植入物，用于修复由创伤、肿瘤切除或病理性骨丢失引起的骨缺损，旨在恢复患者的功能和生活质量[1]。然而，它们的固有生物惰性常常导致无菌松动和最终植入物失败[2,3]。为了克服这一限制，人们付出了大量努力来提高Ti植入物的生物活性，其中表面改性是最广泛研究和最有前景的方法之一。常见的策略包括喷砂[4]、化学蚀刻[5,6]、微弧氧化（MAO）[7]、阳极氧化（AO）[8,9]以及各种基于蛋白质的涂层的固定[10,11]。其中，MAO因其简单性、低成本和有效性而受到广泛关注。MAO涂层在Ti表面形成微米级孔隙，不仅确保了与基底的牢固结合，还增强了植入物的生物性能。此外，将生物活性元素掺入MAO涂层是一个有前景的方向[12]。特别是，锶（Sr）已被证明可以促进骨整合并抑制破骨细胞活性[13,14]。例如，一种掺锶和硅（Si）的SMS陶瓷涂层在骨质疏松模型中增强了骨髓间充质干细胞（BMSCs）的成骨分化能力，同时促进了血管生成并抑制了破骨细胞活性[15]。另一项研究表明，含有18.23–21.25 wt% Sr的Sr/Ag掺杂TiO?微孔涂层在体外和体内均表现出优异的成骨活性，支持成骨细胞的增殖和扩散[16]。然而，MAO涂层在纳米尺度上相对光滑，因此直接固定蛋白质的能力有限，通常需要中间层（如多巴胺（PDA）进行共价结合[10,11]。
相比之下，阳极氧化（AO）在氟离子存在下，在相对较低的电压下产生高度有序的六边形或圆柱形TiO?介孔阵列（MPs）。这种纳米形貌有效地促进了细胞的附着、扩散和迁移，显著增强了成骨细胞的增殖和粘附，并在动物模型中显示出改善骨整合和新骨形成的效果[17]。此外，AO衍生的纳米形貌具有独特的纳米生物力学特性，与抗氧化行为相关[[18], [19], [20]]。然而，常用的TiO?纳米管阵列（TNTs）界面粘附性较差，容易分层，这限制了它们的临床应用。为了解决这个问题，研究转向在Ti表面嵌入蜂窝状MPs以提高涂层的稳定性[21,22]。然而，传统的水热掺杂方法往往会破坏MPs的开放管状形态[22,23]，从而降低了治疗分子或聚合物（如壳聚糖[24]、聚乳酸[25]和胶原蛋白[26]）的负载和封装效率。
从仿生学的角度来看，这种层次结构与天然骨骼的协同架构非常相似，其中“微尺度的 trabeculae”提供机械支持和服务框架，而“纳米尺度的矿化基质”调节信号传导和矿化过程，共同维持骨骼的稳定性和生物活性[27]。受此启发，我们提出了一种双层复合表面改性策略。通过整合MAO、电子束蒸发和AO技术，我们在Ti基底上构建了双层微/纳米结构的TiO?介孔涂层，实现了长期持续的锶释放。这种仿生涂层不仅为细胞附着和生长提供了有利的三维支架，还通过其纳米特性增强了蛋白质吸附和成骨诱导潜力。总体而言，这项研究为开发下一代高性能骨修复材料提供了有希望的策略。
样品制备
样品制备
- a.
纯Ti样品的制备（Ti组）：使用碳化硅（SiC）砂纸（粒度分别为400、800、1200和2000）依次对商业纯Ti板（10 mm × 10 mm × 1 mm，东莞宏迪金属材料有限公司，中国）进行抛光（宁波坤宁仪器设备有限公司）。抛光后的样品分别在绝对乙醇和去离子水中使用超声波清洗器（VGT-1200，广东Goodtech超声波公司）超声清洗5分钟。
表面形貌
图1A展示了顺序表面处理过程的示意图。SEM图像显示，在微弧氧化（MAO）后，涂层在5000倍放大下呈现出许多放电诱导的孔隙。大多数孔隙呈圆形或椭圆形，有些孔隙呈现豆状形态。平均孔径为1.3 ± 0.5 μm，一些孔隙包含较小的次级微孔。能量分散光谱（EDS）分析证实了锶的成功掺入。
讨论
生物材料表面的物理化学性质（如粗糙度、润湿性和形态）对其与细胞和组织的生物相容性和生物活性有显著影响[[31], [32], [33]]。因此，表面改性策略已成为提高成骨能力、抗炎潜力和植入物整体性能的研究焦点。例如，将氮化硅（Si?N?）掺入MAO涂层显著提高了表面粗糙度
结论
在这项研究中，我们提出了一种创新的层次复合表面改性策略，结合了微弧氧化（MAO）与锶的掺入、电子束蒸发沉积纯Ti中间层以及阳极氧化（AO）来构建MPs。所得的双层涂层表现出优异的耐腐蚀性、增强的蛋白质吸附能力，并显著提高了Ti基植入物的生物相容性和骨整合性。
术语表
| MAO | 微弧氧化 |
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| AO | 阳极氧化 |
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| EBE | 电子束蒸发 |
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| Sr | 锶 |
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| MC3T3-E1 | 小鼠胚胎成骨前体细胞 |
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| SEM | 扫描电子显微镜 |
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| AFM | 原子力显微镜 |
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| EDS | 能量分散光谱 |
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| XPS | X射线光电子能谱 |
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| XRD | X射线衍射 |
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| CA | 接触角 |
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| EIT | 弹性模量 |
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| HIT | 硬度压痕测试 |
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| EIS | 电化学阻抗谱 |
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| OCP | 开路电位 |
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| Cck-8 | 细胞计数试剂盒-8 |
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| SDS-PAGE | 十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳 |
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| PVDF | |
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作者贡献声明
乐可彤：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、软件、方法学、研究、数据分析、概念化。周武超：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、软件、方法学、概念化。王铁标：撰写 – 审稿与编辑、验证、数据管理、概念化。张学娥：撰写 – 审稿与编辑、验证、概念化。张旭：撰写 – 审稿与编辑、验证。
资金来源
本研究得到了江西省自然科学基金青年项目（20242BAB20395）和自然科学基金重点项目（20224ACB206022）的资助。
数据可用性
数据可根据请求提供。
作者贡献声明
乐可彤：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、软件、方法学、研究、数据分析、概念化。周武超：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、软件、方法学、概念化。王铁标：撰写 – 审稿与编辑、验证、数据管理、概念化。张学娥：撰写 – 审稿与编辑、验证、概念化。张旭：撰写 – 审稿与编辑、验证。
利益冲突声明
本研究得到了江西省自然科学基金青年项目（20242BAB20395）和自然科学基金重点项目（20224ACB206022）的资助。
作者声明没有利益冲突。
致谢
我们衷心感谢江西妇幼保健院中央实验室提供实验场地和设备。同时，我们也感谢南昌大学动物中心为动物实验提供平台。
