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医用钛合金由于其良好的机械性能、化学稳定性和生物相容性，被广泛地应用于临床牙科和骨科领域。然而，由于钛植入体表面的生物惰性，在一定程度上影响了成骨相关细胞在其表面的粘附、增殖和分化，并阻碍了植入体与周围组织的早期骨整合能力，甚而造成无菌性松动和植入失败。此外，众多研究表明，细菌感染是导致植入物翻修和失败的另一个主要原因。因此，对医用钛合金植入体表面进行改性使其具备优异的骨整合及抗菌性能，已成为骨科领域的研究热点之一。
鉴于此，本论文从模拟细胞外基质的角度为出发点，利用层层自组装技术、阳极氧化技术以及阴极电沉积技术，发展了一系列在医用钛植入体表面构建新型生物活性涂层的策略，在赋予钛植入体优异的骨整合性能的同时，还兼具良好的抑制细菌感染的能力，可望有效地提高钛植入体的长期使用寿命。主要研究内容和结论如下：
1.N-Cl改性壳聚糖多层结构表面修饰钛基材及细菌抑制的研究
为提高钛基材的抑菌性能，我们采用层层自组装技术（Layer-by-layer,LBL），制备了壳聚糖-1-（羟甲基）-5,5-二甲基己内酰脲（Chi-HDH-Cl）与明胶（Gel）复合的生物活性涂层。傅立叶变换红外光谱（FTIR）、核磁共振（1HNMR）和X射线光电子能谱（XPS）分析结果表明，Chi-HHD-Cl复合物已成功合成。利用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和水接触角测量技术，对各组钛材的形貌、粗糙度变化和表面润湿性进行了表征，证实了钛基材上多层膜的成功制备。针对大肠杆菌（E.coli）和金黄色葡萄球菌（S.aureus）的抑菌实验表明，Gel/Chi-HDH-Cl修饰的钛基材可高效地抑制细菌的粘附和生长。同时，体外细胞试验证实，Gel/Chi-HDH-Cl多层膜对成骨细胞无明显的细胞毒性，并且可以促进成骨细胞碱性磷酸酶（ALP）的表达，同时上调成骨细胞相关基因的表达，包括转录因子（Runx2）和碱性磷酸酶（ALP）。该研究为抑菌型钛基材料的制备提供了一种新方法。
2.二氧化钛纳米管阵列表面pH响应性多层膜构建及其抑菌/促成骨活性研究为了提高钛基材的抗菌性能和改善细胞相容性，本研究以二氧化钛纳米管（TNTs）加载成骨生长肽（BMP2），采用层层自组装技术，在其表面构建pH响应性海藻酸二醛-庆大霉素（ADA-Gen）和壳聚糖（Chi）组成的多层膜，得到TNT-BMP2-LBLg样品。利用FTIR证实了ADA-Gen的成功制备。AFM、XPS、表面Zeta电位、圆角椭偏仪、纳米压痕实验证明了多层膜的成功制备。释放实验表明，酸性环境（模拟细菌感染微环境）可触发多层膜中ADA-Gen的降解，进而加速TNTs中BMP2的释放。此外，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌实验证实，TNT-BMP2-LBLg在早期（6h）和长期（72h）均具有良好的抗菌能力。体外细胞实验与金黄色葡萄球菌共培养实验结果表明，该涂层具备很好的抗菌效果且对成骨细胞具有良好的细胞相容性。获得的TNT-BMP2-LBLg可以促进成骨细胞的分化，包括增强碱性磷酸酶活性（ALP）、提高矿化能力和刺激成骨相关基因的表达，包括Runx2、ALP、I型胶原（Col I）、骨桥蛋白（OPN）和骨钙蛋白（OCN）。本研究为开发pH响应型抗菌和增强骨整合型钛基植入体提供了新思路。
3.钛合金表面氧化石墨烯-Zn2+涂层的构建及其抑菌/促成骨活性的研究
利用阴极电泳沉积（EPD）法，在钛材表面制备了甲基丙烯酰基改性氧化石墨烯（GOMA）作为Zn2+储池和释放平台。随后，通过自由基聚合反应，将苯基硼酸（PBA）功能化甲基丙烯酸修饰的明胶（GelMA-PBA）与GOMA反应制备GO-Zn/GelMA-PBA涂层。通过AFM及FTIR表征证实GO和GOMA的成功制备。通过SEM、XPS和Zn2+释放实验，证实了GO-Zn/GelMA-PBA涂层的成功制备。体外细胞实验包括细胞活性、ALP、胶原分泌（Col I）、细胞外基质（ECM）矿化、成骨基因和蛋白质印迹等结果表明：GO-Zn/GelMA-PBA涂层有利于成骨细胞的粘附、增殖和分化。明胶的存在以及PBA与成骨细胞表面的碳水化合物形成稳定的化学结构有利于成骨细胞在钛材表面的早期粘附，同时缓慢释放的Zn2+可以促进成骨细胞的增殖和分化。此外，对金黄色葡萄球菌（S.aureus）和铜绿假单胞菌（P.aeruginosa）的抗菌实验证实，GO-Zn/GelMA-PBA涂层具有良好的抗菌能力，有效地抑制了细菌粘附，防止了生物膜的形成。本研究为制备兼具促成骨和抗菌的钛材在骨科临床治疗应用上提供了一个新的策略。
4.钛植入体表面ZIF-8@Levo/LBL涂层构筑及细菌抑制/促体内骨形成的研究本研究提出了一种制备具有pH响应的钛种植体抗菌涂层的策略，以响应细菌相关的局部酸性环境。包括以下三个步骤：首先，合成了左氧氟沙星（Levo）负载的沸石咪唑酯骨架结构（ZIF-8@Levo）的纳米颗粒；其次，用EPD方法将纳米颗粒负载到胶原改性的钛基材上；最后，在改性Ti基底上进一步旋转包覆了多层明胶和壳聚糖得到负载ZIF-8@Levo纳米颗粒的样品（MOF@Levo/LBL）。由于凝胶和壳聚糖的螯合作用会降低ZIF-8@Levo的水解作用，从而实现Levo和Zn2+的持续释放。通过透射电镜（TEM）、X-射线衍射（XRD）、FTIR、水动力学尺寸测试以及紫外可见光谱法（UV-vis）测试，表明ZIF-8@Levo纳米颗粒的成功制备。通过SEM证实ZIF-8@Levo纳米颗粒已成功地固定到钛材表面。通过钛材表面pH测试，证明即使在存在细菌的情况下，MOF@Levo/LBL可以维持弱碱性的微环境。通过将MOF@Levo/LBL材料浸泡在不同pH的PBS溶液中，证明ZIF-8@Levo纳米颗粒的降解具有一定程度的pH响应性。通过CCK-8细胞活性检测、乳酸脱氢酶活性（LDH）检测、成骨细胞的活/死染色、成骨细胞骨架染色、ALP染色、天狼星红染色、茜素红染色以及成骨细胞相关基因的表达量等实验，表明制备的MOF@Levo/LBL具有体外促进成骨细胞的粘附、增殖和分化的能力。此外，MOF@Levo/LBL样品对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有较强的抗菌能力，这是由于ZIF-8@Leco纳米颗粒的水解作用，同时导致碱性微环境。用感染股骨的大鼠模型进行体内植入，发现MOF@Levo/LBL植入物不仅能有效抑制细菌粘附，而且能显著改善钛植入物的骨整合。该研究为制备具有较强抗菌能力和增强成骨潜能的多功能钛基植入体提供了一种新方法。
鉴于此，本论文从模拟细胞外基质的角度为出发点，利用层层自组装技术、阳极氧化技术以及阴极电沉积技术，发展了一系列在医用钛植入体表面构建新型生物活性涂层的策略，在赋予钛植入体优异的骨整合性能的同时，还兼具良好的抑制细菌感染的能力，可望有效地提高钛植入体的长期使用寿命。主要研究内容和结论如下：
1.N-Cl改性壳聚糖多层结构表面修饰钛基材及细菌抑制的研究
为提高钛基材的抑菌性能，我们采用层层自组装技术（Layer-by-layer,LBL），制备了壳聚糖-1-（羟甲基）-5,5-二甲基己内酰脲（Chi-HDH-Cl）与明胶（Gel）复合的生物活性涂层。傅立叶变换红外光谱（FTIR）、核磁共振（1HNMR）和X射线光电子能谱（XPS）分析结果表明，Chi-HHD-Cl复合物已成功合成。利用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和水接触角测量技术，对各组钛材的形貌、粗糙度变化和表面润湿性进行了表征，证实了钛基材上多层膜的成功制备。针对大肠杆菌（E.coli）和金黄色葡萄球菌（S.aureus）的抑菌实验表明，Gel/Chi-HDH-Cl修饰的钛基材可高效地抑制细菌的粘附和生长。同时，体外细胞试验证实，Gel/Chi-HDH-Cl多层膜对成骨细胞无明显的细胞毒性，并且可以促进成骨细胞碱性磷酸酶（ALP）的表达，同时上调成骨细胞相关基因的表达，包括转录因子（Runx2）和碱性磷酸酶（ALP）。该研究为抑菌型钛基材料的制备提供了一种新方法。
2.二氧化钛纳米管阵列表面pH响应性多层膜构建及其抑菌/促成骨活性研究为了提高钛基材的抗菌性能和改善细胞相容性，本研究以二氧化钛纳米管（TNTs）加载成骨生长肽（BMP2），采用层层自组装技术，在其表面构建pH响应性海藻酸二醛-庆大霉素（ADA-Gen）和壳聚糖（Chi）组成的多层膜，得到TNT-BMP2-LBLg样品。利用FTIR证实了ADA-Gen的成功制备。AFM、XPS、表面Zeta电位、圆角椭偏仪、纳米压痕实验证明了多层膜的成功制备。释放实验表明，酸性环境（模拟细菌感染微环境）可触发多层膜中ADA-Gen的降解，进而加速TNTs中BMP2的释放。此外，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌实验证实，TNT-BMP2-LBLg在早期（6h）和长期（72h）均具有良好的抗菌能力。体外细胞实验与金黄色葡萄球菌共培养实验结果表明，该涂层具备很好的抗菌效果且对成骨细胞具有良好的细胞相容性。获得的TNT-BMP2-LBLg可以促进成骨细胞的分化，包括增强碱性磷酸酶活性（ALP）、提高矿化能力和刺激成骨相关基因的表达，包括Runx2、ALP、I型胶原（Col I）、骨桥蛋白（OPN）和骨钙蛋白（OCN）。本研究为开发pH响应型抗菌和增强骨整合型钛基植入体提供了新思路。
3.钛合金表面氧化石墨烯-Zn2+涂层的构建及其抑菌/促成骨活性的研究
利用阴极电泳沉积（EPD）法，在钛材表面制备了甲基丙烯酰基改性氧化石墨烯（GOMA）作为Zn2+储池和释放平台。随后，通过自由基聚合反应，将苯基硼酸（PBA）功能化甲基丙烯酸修饰的明胶（GelMA-PBA）与GOMA反应制备GO-Zn/GelMA-PBA涂层。通过AFM及FTIR表征证实GO和GOMA的成功制备。通过SEM、XPS和Zn2+释放实验，证实了GO-Zn/GelMA-PBA涂层的成功制备。体外细胞实验包括细胞活性、ALP、胶原分泌（Col I）、细胞外基质（ECM）矿化、成骨基因和蛋白质印迹等结果表明：GO-Zn/GelMA-PBA涂层有利于成骨细胞的粘附、增殖和分化。明胶的存在以及PBA与成骨细胞表面的碳水化合物形成稳定的化学结构有利于成骨细胞在钛材表面的早期粘附，同时缓慢释放的Zn2+可以促进成骨细胞的增殖和分化。此外，对金黄色葡萄球菌（S.aureus）和铜绿假单胞菌（P.aeruginosa）的抗菌实验证实，GO-Zn/GelMA-PBA涂层具有良好的抗菌能力，有效地抑制了细菌粘附，防止了生物膜的形成。本研究为制备兼具促成骨和抗菌的钛材在骨科临床治疗应用上提供了一个新的策略。
4.钛植入体表面ZIF-8@Levo/LBL涂层构筑及细菌抑制/促体内骨形成的研究本研究提出了一种制备具有pH响应的钛种植体抗菌涂层的策略，以响应细菌相关的局部酸性环境。包括以下三个步骤：首先，合成了左氧氟沙星（Levo）负载的沸石咪唑酯骨架结构（ZIF-8@Levo）的纳米颗粒；其次，用EPD方法将纳米颗粒负载到胶原改性的钛基材上；最后，在改性Ti基底上进一步旋转包覆了多层明胶和壳聚糖得到负载ZIF-8@Levo纳米颗粒的样品（MOF@Levo/LBL）。由于凝胶和壳聚糖的螯合作用会降低ZIF-8@Levo的水解作用，从而实现Levo和Zn2+的持续释放。通过透射电镜（TEM）、X-射线衍射（XRD）、FTIR、水动力学尺寸测试以及紫外可见光谱法（UV-vis）测试，表明ZIF-8@Levo纳米颗粒的成功制备。通过SEM证实ZIF-8@Levo纳米颗粒已成功地固定到钛材表面。通过钛材表面pH测试，证明即使在存在细菌的情况下，MOF@Levo/LBL可以维持弱碱性的微环境。通过将MOF@Levo/LBL材料浸泡在不同pH的PBS溶液中，证明ZIF-8@Levo纳米颗粒的降解具有一定程度的pH响应性。通过CCK-8细胞活性检测、乳酸脱氢酶活性（LDH）检测、成骨细胞的活/死染色、成骨细胞骨架染色、ALP染色、天狼星红染色、茜素红染色以及成骨细胞相关基因的表达量等实验，表明制备的MOF@Levo/LBL具有体外促进成骨细胞的粘附、增殖和分化的能力。此外，MOF@Levo/LBL样品对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有较强的抗菌能力，这是由于ZIF-8@Leco纳米颗粒的水解作用，同时导致碱性微环境。用感染股骨的大鼠模型进行体内植入，发现MOF@Levo/LBL植入物不仅能有效抑制细菌粘附，而且能显著改善钛植入物的骨整合。该研究为制备具有较强抗菌能力和增强成骨潜能的多功能钛基植入体提供了一种新方法。