该研究由ruohan wang、juan li、qunjie bi等作者共同完成，主要来自四川大学生物医学工程学院国家生物材料工程研究中心、华西口腔医学院正畸科、西南医科大学附属口腔医院等机构。该研究于2025年发表在期刊Biomaterials上，题为“Crystallographic plane-induced selective mineralization of nanohydroxyapatite on fibrous-grained titanium promotes osteointegration and biocorrosion resistance”。

学术背景

该研究属于生物材料领域，特别是钛基植入物的表面改性研究。钛及其合金广泛应用于骨科和牙科植入物，但其长期稳定性和生物相容性仍面临挑战。研究的主要目标是开发一种能够促进骨整合（osteointegration）和抗生物腐蚀（biocorrosion resistance）的钛基植入物表面改性技术。现有的表面改性方法如氧化、生物分子涂层等，虽然在一定程度上提高了钛植入物的性能，但仍存在涂层不均匀、厚度不稳定等问题。此外，羟基磷灰石（hydroxyapatite, HA）作为常见的钛植入物涂层材料，其生物活性和抗腐蚀性能与其晶面取向密切相关。研究发现，HA的(002)晶面具有更高的生物活性和抗腐蚀性能，但如何高效地在钛表面实现HA(002)晶面的定向生长仍是一个技术难题。

研究流程

该研究分为以下几个主要步骤：

1. 材料制备与表征
   研究首先制备了纤维晶粒钛（fibrous-grained titanium, FG Ti）和粗晶粒钛（coarse-grained titanium, CG Ti）。FG Ti通过室温旋转锻造和氮气保护下的退火处理获得，其表面具有(0002)晶面取向。随后，通过X射线光电子能谱（XPS）和高分辨透射电镜（HRTEM）对钛表面的TiO₂薄膜进行了表征，发现FG Ti表面形成了亚纳米级的锐钛矿型TiO₂，而CG Ti表面则形成了金红石型TiO₂。

2. HA纳米晶体的原位生长
   研究采用了一种温和的水热生长策略，在FG Ti和CG Ti表面原位生长HA纳米晶体。首先，通过相转移溶菌酶（PTL）薄膜在钛表面螯合钙离子，随后在水热反应中生长HA纳米晶体。通过扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和HRTEM对生成的HA纳米晶体进行了表征，发现FG Ti表面生长的HA纳米晶体主要为(002)晶面取向，而CG Ti表面生长的HA纳米晶体主要为(100)晶面取向。

3. 生物腐蚀性能测试
   研究通过电化学阻抗谱（EIS）和塔菲尔极化测试评估了FG Ti-NHA(002)和CG Ti-NHA(100)在模拟生理环境（Hank’s溶液和人工唾液）中的抗腐蚀性能。结果表明，FG Ti-NHA(002)表现出更高的极化电阻和更低的腐蚀电流密度，表明其具有更优异的抗腐蚀性能。

4. 细胞行为研究
   研究评估了MC3T3-E1细胞在不同钛基底上的粘附、迁移和成骨分化行为。通过荧光染色和实时荧光定量PCR（qRT-PCR）分析，发现FG Ti-NHA(002)显著促进了细胞的成骨分化，相关基因（如BSP、OPN、OCN等）的表达水平显著上调。此外，FG Ti-NHA(002)还抑制了破骨细胞的分化和活性，表现为TRAP阳性多核细胞数量和actin环形成数量的显著减少。

5. 动物实验
   研究通过兔股骨植入实验评估了FG Ti-NHA(002)的骨整合效果。植入2周后，通过扭矩测试、微CT扫描和组织学分析，发现FG Ti-NHA(002)显著促进了新骨的形成，并表现出更高的骨-植入物接触率（BIC）和更强的结合强度。

主要结果

1. 材料表征与HA生长
   FG Ti表面形成的锐钛矿型TiO₂诱导了HA(002)晶面的定向生长，而CG Ti表面形成的金红石型TiO₂则诱导了HA(100)晶面的生长。HRTEM分析表明，FG Ti-NHA(002)的晶格间距为0.35 nm，对应于HA(002)晶面，而CG Ti-NHA(100)的晶格间距为0.81 nm，对应于HA(100)晶面。

2. 抗腐蚀性能
   FG Ti-NHA(002)在Hank’s溶液和人工唾液中的极化电阻分别为95.5×10³ Ω·cm²和371×10³ Ω·cm²，显著高于CG Ti-NHA(100)。塔菲尔极化测试显示，FG Ti-NHA(002)的腐蚀电流密度显著降低，腐蚀速率显著下降。

3. 细胞行为
   FG Ti-NHA(002)显著促进了MC3T3-E1细胞的粘附和迁移，成骨相关基因的表达水平显著上调。同时，FG Ti-NHA(002)显著抑制了破骨细胞的分化和活性，表现为TRAP阳性细胞数量和actin环形成数量的显著减少。

4. 动物实验
   兔股骨植入实验表明，FG Ti-NHA(002)在植入2周后显著促进了新骨的形成，骨-植入物接触率和结合强度显著高于FG Ti和CG Ti。

结论

该研究通过FG Ti的(0002)晶面诱导了HA(002)晶面的定向生长，成功开发了一种具有优异骨整合和抗腐蚀性能的钛基植入物表面改性技术。FG Ti-NHA(002)在模拟生理环境和动物实验中均表现出显著的生物活性和抗腐蚀性能，具有广泛的应用前景。

研究亮点

1. 新颖的表面改性策略：通过FG Ti的(0002)晶面诱导HA(002)晶面的定向生长，解决了HA(002)晶面在钛表面高效生长的技术难题。
2. 优异的抗腐蚀性能：FG Ti-NHA(002)在模拟生理环境中表现出显著高于传统CG Ti-NHA(100)的抗腐蚀性能。
3. 显著的骨整合效果：FG Ti-NHA(002)在兔股骨植入实验中显著促进了新骨的形成，表现出优异的骨整合效果。

研究意义

该研究为钛基植入物的表面改性提供了新的思路，显著提高了植入物的骨整合性能和抗腐蚀性能，具有重要的科学价值和应用前景。该技术有望在骨科和牙科植入物领域得到广泛应用，为患者提供更安全、更持久的植入物解决方案。