摘要：鈦合金具有與人體硬組織基本匹配的彈性模量、抗腐蝕性能好、抗疲勞性能高、對人體無毒性的優點，已引起基礎和臨床研究的極大興趣。但目前臨床應用純鈦金屬仍存在骨再生能力差、抗菌力弱的缺點。本文就近年來醫用鈦合金表面改性后的生物活性和抗菌能力的雙重特性及其應用進行了綜述。

　　關鍵詞：鈦合金;表面改性;生物活性;抗菌

　　生物醫用材料，又稱生物材料，是一類具有特殊性能，用于人工器官、外科修復、理療康復、診斷和治療疾患、增進或恢復人體組織功能，而不會對人體產生不良影響的材料。隨著社會人口老齡化的增加、意外傷害劇增，目前每年發生創傷的人數在全世界約數千萬，在中國大陸約300萬，其中相當一部分骨創傷者需要進行不同程度的早期救治或晚期修復，骨組織修復材料的市場需求非常巨大。根據國家科技部資料統計，近十多年來，我國生物材料和制品一直保持較高增長率，但是我國生物材料和制品所占世界的市場份額較少，具有巨大的發展空間。

　　目前應用于臨床的醫用金屬材料主要有不銹鋼、鈷合金和鐵合金三大類，其中鈦和鈦合金由于具有與人體硬組織基本匹配的彈性模量、抗腐蝕性能好、抗疲勞性能高，對人體無毒性的優點，從而受到了廣泛的關注[1]。現今，已有鈦合金人工關節、牙種植體、血管內支架和心臟瓣膜等醫療器械產品問世，對醫學的發展具有重要的意義。盡管純鈦金屬具有上述優點，但在臨床應用中仍存在以下缺點[2]：

　　（1）醫用鈦及其合金植入材料本身不具備生物活性，骨再生能力差，與周圍組織結合性不佳;

　　（2）鈦合金材料表面無抗菌性能，存在術后感染的風險高的問題，而且相關感染一旦發生，常規的抗生素通常難以治愈。

　　基于以上問題，在保留鈦金屬原有優良性能的基礎上，必須對鈦及其合金表面進行表面改性，從而改善植入體的功效和使用壽命。在20世紀60年代初瑞典哥德堡大學的Branemark教授[3]提出了骨整合的概念：“植入體和天然骨之間結構和功能的直接結合。”在一個成功的、長期的植入手術治療中，骨整合是必須的，該理論也已經成為現代種植學的理論基礎。同時，在植入體表面對周圍組織的感染過程中，細菌在生物材料界面的最初貼壁是關鍵的一步，因此對鈦及其鈦合金生物材料進行改性使其自身帶有滅菌消炎功能，防止植入體表面最初的細菌附著是一重要策略。Gristina教授[4]將細菌附著和組織融合之間的競爭形象地比喻成“race for the surface”。因此，如何同時達到防止細菌附著和兼顧植入體的與組織結合的骨整合的目的成為研究的焦點。

　　由于造骨細胞和細菌在尺寸上有巨大的差異，許多研究聚焦于通過機械和物理的方法改變鈦合金種植體表面的超微結構[5]，但是對于什么尺寸的微結構有利于骨整合和防止細菌附著還沒有定論。化學方法相比機械方法和物理方法，不需要復雜的設備、操作相對簡單，可以通過調節溶液的成分濃度來控制化學涂層或氧化層成分、厚度及其分布，并且可在復雜形狀規格的材料表面進行均勻成膜，因此化學法受到了越來越多的關注[6-7]。化學表面改性方法主要包括在鈦合金表面引入離子，如鈣離子[8]、羧酸根、磺酸根[9]等;以及在表面引入高親水性化合物，如PEG[10]、PEO[11]、多聚糖[12]等。但是，親水性化合物在防止細菌附著的同時也抑制了造骨細胞的生長。因此，以單一功能為目的的表面改性手段并不能達到理想的改性效果。為進一步提高材料的生物相容性和抗菌效果，應對鈦合金材料表面的修飾向雙功能化乃至多功能化的方向發展。

　　除了抗吸附的大分子聚合物，具有殺菌作用的化合物也被用來修飾在鈦合金表面來降低感染的風險。例如，在鈦合金表面固載殼聚糖-阿托伐他汀偶聯物[13]以及鈦酸-銀納米顆粒-鈦酸的三明治納米結構[14]都表現出了抑制炎癥的響應且具有更好的生物相容性。但這些化合物在體內長期存在是否會產生耐藥性還不得而知。Neoh課題[15]組利用殼聚糖和多肽分子RGD（arginine-glycine-aspartic acid）對鈦合金表面進行修飾，結果表明不管是否存在RGD，殼聚糖都能有效地減少細菌的附著，而RGD的引入明顯增加了成骨細胞的增殖和堿性磷酸酶的活性。盡管RGD能夠增強成骨細胞的活性，但是它缺乏選擇性[16]。因此，越來越多的研究者把目標轉移到了骨形態發生蛋白上來，它可以通過激活機體內的分子信號通路而實現促進骨整合的目的[17-18]。目前普遍認為骨形態發生蛋白可以刺激骨形成，是骨再生和種植體表面改性的極有希望的一種蛋白治療手段。其中，骨形態發生蛋白2（BMP2）是在種植體表面改性中應用最為廣泛的一類生長因子。Nie等[19]將人重組BMP2利用電紡絲方法負載于聚乳酸一羥基乙酸，羥基磷灰石的復合物纖維支架上，從而實現緩釋并保持原有的完整性和天然構象。盡管目前對鈦合金表面進行的多功能修飾均能較好地滿足成骨活性和抑菌的需求，但是對于鈦合金表面改性后形成的涂層在體內長期存在的穩定性問題的研究還不充分，需要進一步探索研究。Zreiqat等[20]研究發現在促進骨細胞明顯增殖的表面，Ⅰ型膠原蛋白表達也明顯增高，同時檢測到整合素α5β1和β1配體表達明顯增高，提示材料促進成骨細胞的增殖與黏附的生物活性可以用細胞整合素的表達水平來評價。

　　由于人體內鈦合金植入體的表面造骨細胞和細菌是同時存在的，并處于競爭關系，然而目前關于鈦合金植入體表面涂層對于造骨細胞和細菌的響應機制的研究基本上都是分別進行的。最近，Lee等人[21]進行了一些嘗試，將MC3T3-E1細胞和少量的表皮葡萄球菌（S.epidermidis）共同培養，結果表明，在培養早期，細胞增值情況良好，但到了24小時以后，細菌取得了這場競爭的勝利。因此，對改性前后鈦合金表面造骨細胞以及細菌競爭生長的影響機制還需進行深入和系統的研究。
參考文獻：

　　[1]Arifin，A.;Sulong，A.B.;Muhamad，N.;Syarif，J.;Ramli，M.I.，Material processing of hydroxyapatite and titanium alloy （HA/Ti）composite as implant materials using powder metallurgy：A review.Mater Design，2014，（55）：165-175.

　　[2]Neoh，K.G.;Hu，X.;Zheng，D.;Kang，E.T.，Balancing osteoblast functions and bacterial adhesion on functionalized titanium surfaces.Biomaterials，2012，33 （10）：2813-2822.

　　[3]Br■nemark P.I.，Osseointegration and its experimental studies.J Prosthet Dent，1983，（50）：399-410.

　　[4]Gristina A.G..，Biomaterial-centered infection：microbial adhesion versus tissue integration.Science，1987，（237）：1588-1595.

　　[5]Puckett S.D.;Taylor E.;Raimondo T.;Webster T.J.，The relationship between the nanostructure of titanium surfaces and bacterial attachment.Biomaterials，2010，（31）：706-713.

　　[6]Chai Y.C.;Kerckhofs G.;Roberts S.J.;Van Bael S.;Schepers E.;Vleugels J.，Ectopic bone formation by 3D porous calcium phosphate-Ti-6Al-4V hybrids produced by perfusion electrodeposition.Biomaterials，2012，（33）：4044-4058.

　　[7]Koo T.H.;Borah J.;Xing Z.C.;Moon S.M.;Jeong Y.;Kang I.K.，Immobilization of pamidronic acids on the nanotube surface of titanium discs and their interaction with bone cells.Nanoscale Res Lett，2013，8：1-9.

　　[8]Hanawa T，;Kamiura Y.;Yamamoto S.;Kohgo T.;Amemiya A.;Ukai H.，Early bone formation around calcium-ion implanted titanium inserted into rat tibia.J Biomed Mater Res，1997，（36）：131-136.

　　[9]Anagnostou F.;Debet A.;Pavon-Djavid G.;Goudaby Z.;Helary G.;Migonney V.，Osteoblast functions on functionalized PMMA based polymers exhibiting Staphylococcus aureus adhesion inhibition.Biomaterials，2006，（27）：3912-3919.

　　[10]Saldarriaga Fernández I.C.;van der Mei H.C.;Metzger S.;Grainger D.W.;Engelsman A.F.;Nejadnik M.R.，In vitro and in vivo comparisons of staphylococcal biofilm formation on a cross-linked poly （ethylene glycol）-based polymer coating.Acta Biomater，2010，（6）：1119-1124.

　　[11]Roosjen A.;Norde W.;van der Mei H.C.;Busscher H.J.，The use of positively charged or low surface free energy coatings versus polymer brushes in controlling biofilm formation.Prog Colloid Polym Sci，2006，（132）：138-144.

　　[12]Pitt W.G.;Morris R.N.;Mason M.L.;Hall M.W.;Luo Y.;Prestwich G.D.，Attachment of hyaluronan to metallic surfaces.J Biomed Mater Res，2004，68 （A）：95-106.

　　[13]Daichao Xie;Kaiyong Cai;Yan Hu;Zhong Luo，Surface engineering of titanium substrates with chitosan-atorvastatin conjugate for reduced inflammation responses and improved cytocompatibility.J Biomed Mater Res Part A，2013，101A （7）：2005-2014. 　　[14]Na Ren;Rui Li;Limei Chen;Guancong Wang et al.In situ Construction of a Titanate-Silver Nanoparticle-Titanate Sandwich Nanostructure on a metallic Titanium Surface for Bacteriostatic and Biocompatible Implants.J.Mater.Chem.2012，（22）：19151-19160.

　　[15]Chua P.H.;Neoh K.G.;Kang E.T.;Wang W.，Surface functionalization of titanium with hyaluronic acid/chitosan polyelectrolyte multilayers and RGD for promoting osteoblast functions and inhibiting bacterial adhesion.Biomaterials 2008，（29）：1412-1421.

　　[16]Morra M.，Biochemical modification of titanium surfaces： peptides and ECM proteins.Eur Cell Mater，2006，（12）：1-15.

　　[17]Harwood P.J.;Giannoudis P.V.，Application of bone morphogenetic proteins in orthopedic practice：their efficacy and side effects.Expert Opin Drug Saf.2005，4，75-489.

　　[18]Li R.H.;Wozney J.M.，Delivering on the promise of bone morphogenetic proteins.Trends Biotechnol 2001，19，255-265.

　　[19]Nie H.;Soh B.W.;Fu Y.C.，Three-dimensional fibrous PLGA/HAp co mposite scafold for BMP-2 delivery.Siotechnol Bioeng.2008，99 （1），223-234.

　　[20]Zreiqat H.;Howlett C.R.;Zannettino A.;Mechanisms of magnesium-stimulated adhesion of osteoblastic cells to commonly used orthopaedic implants.J Biomed Mater Res，.2002，62，175-184.

　　[21]Lee，J.H.;Wang，H.;Kaplan，J.B.;Lee，W.Y.，Effects of Staphylococcus epidermidis on osteoblast cell adhesion and viability on a Ti alloy surface in a microfluidic co-culture environment.Acta Biomater 2010，6 （11），4422-4229.