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摘要由于现代人口老龄化和交通事故等问题，骨肿瘤以及交通事故导致的大段骨缺损等疾病急剧增加，迫切需要开发具有高效骨整合能力的植入材料。钛基植入体具有良好的机械性能和优异的生物相容性，临床应用面广、市场需求量大。对钛基植入体进行表面改性可提高植入体界面处的骨整合的效率，然而，骨组织主要由具有压电响应及微纳结构的胶原纤维结构组成，骨细胞存在于骨组织的生理微环境中。研究证实，通过模拟骨组织弹性模量及拓扑结构达到仿骨力学性能可显著增强骨整合效果，此外通过外源电场施加电刺激引起细胞响应实现骨整合。模拟骨内力学和电生理微环境调控成骨分化可能促进骨整合的研究较少。当前大量研究工作围绕骨本身的力学特性以及施加外源刺激进行植入体表面仿生构建以提高成骨功效，但仍存在成骨速度慢等问题。因此，本研究通过在钛基植入体表面同时构建仿骨力-电微环境，模拟骨组织所处的复杂环境，用于改善钛基植入体的骨整合性能，促进骨组织再生，为制备新型植入材料提供思路和途径，具有重要的科研价值和临床意义。本研究针对钛基植入体表面二氧化钛/三氧化二铋异质结的构建开展如下工作：<br>　　（1）基于钛基二氧化钛的半导体特性，在医用钛表面原位构建二氧化钛纳米锥，同时通过水热反应复合三氧化二铋纳米颗粒，形成具有仿骨弹性模量及内建电场的二氧化钛/三氧化二铋异质结。透射电子显微镜和X射线光电子能谱结果表明，在钛表面成功构建了二氧化钛/三氧化二铋异质结。纳米压痕仪和扫描开尔文探针力显微镜结果证明钛表面二氧化钛/三氧化二铋异质结具有仿骨弹性模量（7~10GPa）及表面电势。进一步地通过莫特肖特基测试结果证实该二氧化钛/三氧化二铋异质结形成内建电场，COMSOL理论模拟进一步证实内建电场的存在，可以实现钛表面力-电微环境的特性。体外细胞实验证明，该钛基植入体可以促进大鼠骨髓间充质干细胞增殖，具有良好的生物相容性，为后续开展成骨分化实验提供生物学基础。<br>　　（2）钛表面仿骨微环境的可控构建有望提高骨再生效率。基于以上研究工作，本研究通过模拟骨内力-电微环境，进行体外及体内实验探索其调控成骨行为。体外细胞实验表明钛表面二氧化钛/三氧化二铋异质结的构建，显著促进了骨髓间充质干细胞的黏附和铺展，植入体表面细胞碱性磷酸酶活性增加，并且呈现出明显的钙结节沉积，同时，上调ALP，OCN，RUN×2和BMP-2相关成骨基因的表达，为纯钛组的2~3倍，二氧化钛组的1~2倍。进一步，力相关蛋白YAP通路和电相关信号通路PI3K的成功激活，表明骨髓间充质干细胞成骨分化受到力信号和电信号共同的影响。动物体内植入实验也表明该功能化的钛基植入体可以成倍提高植入体界面的骨整合能力，骨体积分数则为纯钛组的1.88倍，二氧化钛组的1.38倍。本研究在钛基植入体表面成功构建力-电微环境用于促进快速骨再生，对骨植入生物材料的设计和精确调控具有指导意义。