综述：钛-组织界面的纳米工程化：生物功能化与表面创新的15年研究展望

《Nanoscale Advances》：Nano-engineering the titanium-tissue interface: a 15 year perspective on bio-functionalization and surface innovation

　　

纳米结构化钛表面的生物功能化（biofunctionalization）是提升生物医用植入物与器械性能的一种前景广阔的策略。尽管钛具有优异的力学性能和生物相容性，但其仍常面临细菌感染、血栓形成倾向以及复杂细胞相互作用等挑战。该综述强调了本实验室数十年来在表面纳米工程化与生物材料涂层创新方面的研究，这些研究已显著增强细胞黏附、生长与分化。具有可调润湿性的纳米工程化表面可显著影响蛋白吸附、细胞黏附和血液相容性。文中还考察了多种生物聚合物涂层的潜力，例如tanfloc、壳聚糖（CS）、肝素（HP）以及多层聚电解质（PEM）组合，它们能够促进有益的细胞响应、支持干细胞分化并增强血液相容性。此外，这些经生物聚合物包覆的纳米结构化钛表面的抗菌效应显示出降低植入物相关感染风险的前景。进一步地，将小分子生物活性物质、生长因子以及与相关活性金属离子有关的矿化过程整合于表面改性中，揭示了表面功能化与纳米尺度表面改变相结合的潜力。最后，该综述讨论了钛植入物表面工程当前面临的挑战与发展前景，强调有必要进一步开展研究，以完善这些技术在治疗应用中的转化。

1. Introduction

文章首先指出，生物医用器械与植入物是现代医疗体系的重要组成部分，在关节置换、心血管支架、骨修复和口腔修复等领域具有关键作用。随着人口老龄化加剧以及关节炎、心血管疾病、骨质疏松等慢性疾病患病率上升，临床对高性能植入材料的需求持续增加。钛及其合金因具备优异的力学强度、耐腐蚀性与生物相容性，已成为现代骨科和牙科植入物的核心材料。然而，钛植入体在临床中仍存在骨整合不足、易受细菌黏附与生物被覆（biofouling）影响、炎症反应及纤维包裹等问题，这些因素均可能导致植入失败和翻修手术增加。文中进一步强调，植入物的生物学响应主要取决于表面特性，包括表面形貌、化学组成、表面能与润湿性等。因此，相较于“惰性型”材料理念，新一代生物材料更强调表面生物活性以及与周围组织建立直接功能联系的能力。基于这一背景，文章提出通过纳米结构构建与表面生物功能化协同调控钛表面，以改善组织整合、抑菌、血液相容性及细胞响应。

2. Engineering titania nanostructures on the titanium surface

本节围绕钛表面氧化钛（TiO₂）纳米结构的构建展开，指出纳米结构通常指至少一个维度处于1–100 nm范围内的结构单元。将纳米结构引入植入材料表面，可显著改变其表面粗糙度、拓扑构型与润湿性，从而促进植入体与周围生物组织之间更协调的界面相互作用，并降低免疫排斥和不良反应。文章列举了钛表面常见的多种纳米结构类型，包括纳米纤维、纳米孔、纳米片/纳米花瓣、纳米线、纳米管和纳米花等，并概述了其制备方法，如电化学阳极氧化、水热处理、碱热处理、激光微纳加工以及酸/碱刻蚀等。其中，电化学阳极氧化法制备TiO₂纳米管（NTs）是作者团队的研究重点。该方法通过在含氢氟酸（HF）与二甘醇（DEG）的电解液中对钛表面进行氧化与刻蚀，形成高度有序的纳米管阵列。文中指出，纳米管的直径、长度及整体形态可通过调节电解液组成、施加电压和阳极氧化时间实现精确控制。研究总结表明，70–80 nm直径范围的TiO₂纳米管对牙周致病菌生长抑制较为有效，而80–120 nm范围的纳米管更有利于成骨（osteogenesis）并可降低破骨细胞相关活性，说明纳米尺度几何参数与生物学效应之间存在明确关联。

3. Biofunctionalization of nanostructured titanium surfaces: combined impact of nanotopography and functional biomaterials

本节强调，自然骨组织的形成依赖结构线索与生化环境的协同作用，因此理想植入材料不仅应在微纳尺度结构上模拟细胞外基质（ECM），还应在化学组成上具备类似天然骨的生物活性。文章指出，纳米结构化TiO₂表面相较于普通钛表面更接近天然骨微环境，可提高成骨细胞黏附、增强蛋白吸附并激活更有效的细胞信号传导。与此同时，生物聚合物、羟基磷灰石及生物活性分子则可作为化学支架，支持细胞黏附、增殖与分化，并降低免疫排斥风险。作者团队的核心思路是在纳米结构表面上进一步引入功能性生物材料，实现“纳米拓扑+生物活性化学”的双重修饰。文中总结了多种修饰路径，包括生物聚合物、多层聚电解质（PEM）、小分子药物和金属离子的协同构建。尤其值得注意的是tanfloc这一氨基功能化单宁衍生物，其兼具多酚基、氨基和芳香结构，并具有两性电解质特征，可与肝素、糖胺聚糖、海藻酸盐、壳聚糖等形成稳定复合层。文章认为，这种双重修饰策略可在提升成骨整合的同时，兼顾抑菌、抗炎、控释和机械稳定性，是钛植入表面工程的重要发展方向。

4. Incorporation of biologically and clinically significant metal ions

本节讨论了生物学相关金属离子在纳米结构化TiO₂表面中的引入。文章指出，骨组织本身为矿化结缔组织，锶（Sr）、锌（Zn）、铜（Cu）和硅（Si）等痕量元素在骨发育、骨代谢及多种生理过程中发挥关键作用。因此，银（Ag）、铜、锰（Mn）、锶和锌等金属被用于修饰TiO₂纳米管表面，以赋予其不同生物功能。其中，Ag和Zn主要用于增强抗菌活性，Cu除具备抑菌能力外，还可通过调控炎症反应、氧化应激和相关信号通路促进骨再生。作者团队采用一步物理气相沉积、水热处理及离子束溅射等方法将这些金属沉积于纳米结构化钛表面。结果表明，这类金属功能化表面不仅提升了抗菌性能，也增强了生物相容性和成骨相关功能。文章还提到，含锰生物活性玻璃（BG）也被用于功能化TiO₂纳米管，以进一步改善表面生物活性。

5. Biomedical outcomes of biofunctionalized nanostructured surfaces

本节从抗菌性、血液相容性和细胞-表面相互作用三个方面，系统总结生物功能化纳米结构表面的生物医学效应。

5.1 Advancing in antibacterial activity

文章指出，术后细菌感染是植入物最严重的并发症之一，细菌在植入表面形成生物膜后会显著提高耐药性并增加治疗难度。纳米结构化可通过改变表面拓扑减少细菌初始黏附，其中TiO₂纳米管、纳米花及水热处理形成的表面均在早期表现出优于未修饰钛的抑菌效果。对于某些细菌，纳米管表面可通过“接触杀灭（contact killing）”机制造成细胞膜破坏。与此同时，TiO₂纳米管还具有良好载药能力，可负载庆大霉素等抗菌药物以增强局部抗感染效应。文中进一步总结，tanfloc或单宁类多层聚电解质涂层与肝素、透明质酸、软骨素硫酸盐、果胶及ι-卡拉胶等多阴离子材料组合后，兼具抗黏附和抗菌作用，可在植入早期抑制细菌定植和生物膜形成。仅采用共价接枝tanfloc修饰TiO₂纳米管，也可同时对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌表现出明显的抗黏附与抗菌活性。这种效应被归因于tanfloc的两性离子样行为及其多酚/铵基团与带负电细菌膜之间的静电作用。除此之外，作者还总结了自组装短肽如Fmoc-FF对纳米管表面的功能化，其可通过诱导细菌氧化应激与渗透压应激抑制细菌黏附及生物膜发育。Ag、Zn、Cu等金属离子掺杂的纳米管表面则可通过金属阳离子释放、代谢干扰及活性氧（ROS）生成进一步增强广谱抗菌性。

5.2 Optimization of blood and surface interactions

在血液相容性方面，文章强调，植入物一旦与血液接触，即会引发蛋白吸附、炎症、溶血、血小板活化以及凝血级联反应。因此，控制材料表面的化学组成、拓扑与润湿性，是降低不良血栓形成风险的关键。作者总结认为，纳米管、纳米花和纳米花瓣等TiO₂纳米结构通常具有较高亲水性，这种特性有助于降低纤维蛋白原吸附，从而减少血小板黏附与活化。掺杂Cu和Zn等金属后，表面亲水性进一步提高，血液相容性也得到改善。对于经水热处理形成的纳米多孔表面，也观察到明显降低的血小板附着。另一方面，将TiO₂纳米管与tanfloc/肝素涂层结合，可进一步减少纤维蛋白原吸附并显著降低凝血因子XII（FXII）活化。仅用tanfloc修饰时，虽然纤维蛋白原吸附仍维持较低水平，但血小板分布与活化模式发生改变，提示tanfloc可能直接调节血小板行为，而不仅仅依赖纤维蛋白原介导机制。文章还讨论了通过硅烷化将亲水纳米结构转变为超疏血（superhemophobic）表面的策略。这类表面通过减少血液与材料的实际接触面积，降低蛋白、血细胞和血小板黏附，并可能改变界面滑移与剪切应力，从而有助于降低血液损伤。

5.3 Advances in cell–surface interactions

在细胞响应方面，文章指出，植入体进入机体后会迅速与生物液中的蛋白发生相互作用，进而影响干细胞、成纤维细胞、成骨细胞和内皮细胞等宿主细胞的后续行为。TiO₂纳米管是研究最充分的纳米结构之一，可显著促进成骨细胞增殖，并支持间充质干细胞（MSCs）黏附、伸展和成骨分化。适宜尺寸的纳米管能够诱导细胞呈现拉长形态、形成更长伪足，并增强成骨相关功能。进一步地，tanfloc基多层聚电解质涂层，包括tanfloc/肝素、tanfloc/糖胺聚糖及tanfloc/透明质酸等，均可显著改善细胞与TiO₂表面的整合。研究表明，这些修饰表面对人脂肪来源干细胞（ADSCs）具有良好细胞相容性，可促进其黏附和增殖；同时还能增强内皮细胞的附着、迁移和增殖，而不过度促进平滑肌细胞增殖，因此对心血管植入物内皮化具有潜在优势。tanfloc/肝素涂层还可提高碱性磷酸酶活性、矿化沉积、骨钙素（OCN）和钙含量，显示出增强ADSCs成骨分化的能力。基于壳聚糖/肝素的PEM体系还能负载骨形态发生蛋白-2（BMP-2），实现受控释放并进一步提高成骨能力。此外，Cu、Sr等痕量金属掺杂的纳米管以及含Mn生物活性玻璃修饰体系，也被证明可促进干细胞向成骨谱系分化。

6. Evaluating biological activity through Co-culture systems

本节指出，传统单一细胞培养模型虽可用于初步筛选，但难以真实再现体内复杂微环境；相比之下，共培养体系更能体现细胞-细胞、细胞-细菌之间的相互作用及旁分泌信号、基质重塑和免疫调节过程。文章特别强调“表面竞争（race to the surface）”概念，即植入后宿主细胞与定植细菌会竞争占据材料表面。作者团队采用人ADSCs与金黄色葡萄球菌的共培养模型，评估负载庆大霉素的壳聚糖/肝素修饰TiO₂纳米管。结果表明，局部递送庆大霉素的表面既能有效抑制细菌黏附，又能使干细胞优先到达并维持铺展形态。除宿主-微生物模型外，文章还提到内皮细胞（ECs）/平滑肌细胞（SMCs）共培养体系对模拟心血管植入环境的重要性。相关研究显示，胶原修饰的纳米线状聚己内酯（PCL）表面可促进两类细胞形成汇合且定向排列的形态，并改善内皮与平滑肌表型。总体而言，共培养策略可为功能化表面的体内转化提供更具预测价值的评价工具。

7. Summary and future prospects

文章最后总结认为，钛及其合金虽已广泛用于骨科、口腔和其他植入应用，但其长期成功仍受骨整合不足和细菌定植等问题制约。通过纳米工程化与表面生物功能化相结合，可显著改善钛植入体的组织整合、血液相容性及抗感染能力。作者团队过去15年的研究表明，纳米结构与生物聚合物、小分子、金属离子等双重修饰策略可明显提升钛基植入物的体外表现。文中同时指出，多功能表面——尤其是兼具抗菌、成骨诱导和抗炎特性的界面——具有延长植入寿命和改善患者结局的潜力，但现有研究多数仍停留在概念验证阶段。未来发展的关键在于解决涂层稳定性、灭菌兼容性、批间重复性、规模化制造、长期体内性能及监管要求等转化障碍。文章建议未来研究应超越传统单培养模型，更多引入共培养体系、器官芯片（organ-on-chip）及其他微环境模拟平台，以提高体内表现预测能力。同时，计算方法、人工智能和机器学习也有望辅助筛选涂层参数、预测表面-细胞-细菌相互作用，并结合多尺度模拟推动钛基植入表面的理性设计。