综述：多孔钛表面功能化技术的进展及其在新型骨科植入物中的应用——综述

《ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》：Advances in surface functionalization of porous titanium as novel orthopedic implants - a review

　　姜晓丹 | 和冠迪 | 郭家宝 | 白元琦 | 郭明娜 | 陈强
中国西北工业大学材料科学与工程学院固体成形加工国家重点实验室，西安710072

**摘要**
多孔钛（PT）及其合金因其相互连接的孔隙结构、良好的机械性能、生物相容性以及低弹性模量（有助于减少应力屏蔽效应）而被广泛用于骨科应用。然而，PT植入物的长期临床成功在很大程度上取决于其表面特性。近年来，表面功能化已成为一种有前景的策略，用于调节PT的物理化学和生物学性质。通过构建具有可控成分和微观结构的生物活性涂层或功能界面，这些方法可以显著提高抗腐蚀性和耐磨性，通常能使腐蚀电流密度降低一个到两个数量级。此外，它们还表现出优异的抗菌性能，对常见细菌菌株的抑制效果通常超过90%，并促进骨生成反应，细胞粘附、增殖和分化能力也优于未经改性的材料，从而促进骨整合。本文系统总结了PT表面功能化的最新进展，包括原位改性、涂层基方法和孔隙填充策略，并重点介绍了它们的机制、应用和比较优势。此外，还讨论了新兴趋势和创新方法，强调了它们在开发多功能且具备临床应用潜力的PT植入物方面的潜力。总体而言，本文概述了最近的研究进展和仍存在的挑战，为合理设计具有更好生物性能和临床适用性的下一代PT植入物提供了指导。

**引言**
由于运动损伤、创伤、意外损害和与年龄相关的退化等原因，全球骨科疾病的负担显著增加，对耐用、高性能骨植入物的需求也随之增长[1]。目前临床应用中的生物医学金属材料包括不锈钢、钛（Ti）及其合金、镁（Mg）合金和钴铬（CoCr）合金。其中，基于Ti的材料特别具有吸引力，因为它们具有出色的耐腐蚀性、优越的耐磨性能以及其他金属相比相对较低的弹性模量[2][3]。然而，致密Ti的弹性模量（约110 GPa）仍高于天然骨（0.5–20 GPa），这会导致明显的机械不匹配，从而引发应力屏蔽，最终导致骨吸收和植入物松动[4][5]。为了解决这个问题，开发了多孔钛（PT）以降低其弹性模量并促进骨生成和骨整合[6][7]。传统的制造方法（如粉末冶金和金属注射成型）可以引入孔隙结构并部分降低刚度，但它们受到孔隙控制不精确和机械性能不足的限制[8][9]。相比之下，增材制造（AM）的最新进展使得能够制造出孔隙结构和拓扑结构精确可控的PT支架[10][11]。AM可以创建复杂的、非随机的孔隙几何形状，实现与骨相匹配的弹性模量、机械强度和抗疲劳性之间的平衡[12][13]。由此产生的相互连接的孔隙网络支持营养传输、血管化和组织生长[14][15]。此外，AM还具有生产具有定制的、特定部位机械和生物功能的患者专用植入物的灵活性[16][17]。因此，AM制造的PT植入物结合了可调的机械性能和增强的生物整合性，成为最有前景的下一代植入材料之一[18][19][20]。

尽管具有这些结构和机械优势，PT的长期临床性能在很大程度上仍取决于植入物-组织界面发生的复杂生物学反应[21][22][23]。Ti的自然惰性常常导致骨整合延迟或不完全，而磨损颗粒或金属离子的潜在释放可能引发局部炎症或免疫反应，从而影响植入物的稳定性[24][25]。此外，对植入物表面的功能要求也是特定于部位的。例如，脊柱植入物需要快速而牢固的骨整合以防止移位，而关节植入物则需要出色的耐磨性以减少颗粒引起的炎症[26]。由于植入物表面是控制与生理环境（包括水分子、离子、蛋白质、细胞和细菌）初始生物相互作用的主要界面，它在决定生物学结果方面起着关键作用。因此，表面改性不仅是一种辅助策略，更是植入物性能的核心决定因素，能够提高早期生物活性、加速骨整合并降低感染风险，从而确保基于PT的植入物的长期可靠性[27][28]。

**文献计量分析**
进行了文献计量分析，以研究PT研究的时间演变和研究动态。如图2a所示，Scopus数据库被选为主要文献来源，使用“多孔钛”或“钛支架”作为关键词进行综合搜索，得到了2810篇出版物（截至2026年3月）。将结果限制为英文研究文章和评论后，保留了2162条记录。经过对标题和摘要的手动筛选，排除了277篇非生物医学研究，最终得到1885篇研究文章和46篇与PT生物医学应用相关的评论文章。出版物的年度分布（图2b）显示出明显的上升趋势，超过84%的文章发表于2010年后，表明对PT在骨科应用方面的研究兴趣迅速增长。

为了进一步阐明PT植入物表面工程的研究趋势，使用“多孔钛”或“钛支架”作为关键词，并结合所有可搜索字段中的“改性”一词进行了文献计量分析。这次搜索得到了842条记录，其中410篇出版物（包括378篇研究文章和32篇评论）与PT表面功能化及其体外、体内和临床应用相关。使用VOSviewer和全计数方法以及最低频率阈值5进行了关键词共现映射，以可视化研究格局。在提取的1635个关键词中，有90个符合纳入标准。所得到的关键词共现网络（图3）凸显了“多孔钛”作为核心节点，周围围绕着与表面改性、骨整合、生物活性、增材制造和骨生成相关的簇。其中，表面改性作为连接结构设计和生物性能的中心主题，反映了其在提高基于PT的植入物的生物相容性、骨整合和多功能性质方面的关键作用。时间颜色梯度表明研究重点从机械优化逐渐转向生物功能化和临床转化。这些发现共同强调了表面改性在提升PT植入物性能方面日益重要的作用。然而，对现有文献的仔细审查揭示了表面工程研究与其系统评价之间的显著不平衡。大多数以往的评论主要强调了制造策略和结构优化，而表面改性通常以碎片化的方式讨论，缺乏关键性的比较和潜在机制的充分整合。因此，不同改性策略之间的相互作用以及结构-性质-生物反应之间的关系及其协同效应仍未得到充分和系统的理解，特别是在PT系统中，这成为合理设计和临床转化表面功能化的关键瓶颈。

为了解决这些限制，本文建立了一个系统性和综合性的PT表面功能化框架，将当前策略分为三个主要领域：（i）原位表面改性，直接修改天然表面以调节其化学成分、形貌和表面能；（ii）表面涂层技术，构建生物活性或保护层以提高抗腐蚀性、机械稳定性和生物相互作用；（iii）孔隙填充策略，将含有生物活性剂的聚合物或复合生物材料引入相互连接的多孔网络以实现结构和生物的耦合调节。在该框架内，本文总结了PT在骨科应用方面的最新发展，并讨论了结构设计、表面性质和生物反应之间的相互关系。重要的是，这项工作提供了基于表面形态、物理化学性质和生物性能的比较和机制驱动的评估，从而揭示了不同功能化策略在机械完整性、生物活性和长期稳定性方面的优势、局限性和潜在协同效应。表1基于这些方面对这些策略进行了系统比较。此外，本文还指出了未来研究方向，旨在克服PT表面改性的当前挑战并提高临床可靠性。通过将基本机制与实际设计考虑相结合，本文为PT表面功能化提供了更全面和面向应用的观点，并为下一代骨科植入物的合理设计提供了概念和方法论基础，从而促进了从单一材料优化向更集成和临床相关表面工程策略的转变。

**部分内容摘要**
**原位表面改性**
PT的原位改性涉及通过应用外部物理力或Ti-介质界面的界面化学反应直接修改植入物表面。这一过程有效地去除了表面污染物、不均匀的氧化层以及分布在内外表面的残留未熔化颗粒[29][30]。
**表面涂层技术**
原位改性能够直接改变天然PT表面，但其赋予支架复杂生物功能的能力仍然有限，例如控制药物释放或多模态治疗活性。涂层功能化通过引入生物活性或保护层有效地解决了这些挑战，将PT从被动结构性材料转变为具有增强可调性和多功能性的生物交互平台[128][129]。
**孔隙填充策略**
PT植入物的表面改性已从传统的涂层和原位改性方法发展到更先进的孔隙填充策略，这些策略将聚合物和复合材料整合到内部孔隙网络中[236][237]。除了提供可调的机械性能外，PT的天然结构还作为一种结构模板，有助于细胞粘附并引导组织生长，从而在植入物和...

**结论与未来展望**
多孔钛（PT）作为一种有前景的骨科植入材料，以其相互连接的多孔结构和较低的弹性模量而受到重视，这些特性与天然骨的性质非常接近。然而，PT的自然惰性限制了其与宿主组织的稳定整合，给长期骨整合带来了持续挑战，并增加了感染风险。因此，PT的表面改性成为克服这些限制并提升其...

**作者贡献声明**
姜晓丹：研究、数据分析、概念化、撰写——审阅与编辑、撰写——初稿。
和冠迪：数据分析、撰写——初稿。
郭家宝：数据分析、撰写——初稿。
白元琦：可视化、方法学。
郭明娜：可视化、方法学。
陈强：指导、项目管理、研究、资金获取、数据分析、概念化、撰写——审阅与编辑、撰写——初稿。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**
我们感谢德国埃尔兰根-纽伦堡大学生物材料研究所的Aldo R. Boccaccini教授在本文修订过程中提供的帮助。作者还感谢中国国家自然科学基金（31800802）、陕西省杰出青年学者科学基金（2023-JC-JQ-35）和陕西省自然科学基金（S2025-JC-YB-0459）的支持。