采用含镁纳米线改性的仿生钛植入物表面以促进骨整合：体外和体内研究

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Biomimetic titanium implant surface modified with Magnesium-containing nanowires to promote osseointegration: in vitro and in vivo investigations

骨整合促进：SLA钛表面镁离子纳米线修饰的骨生成特性及机制研究。

　　

马静怡|周轩|姚正华|卢希如|朱新燕|李书迪|邱静

中国南京医科大学附属口腔医院口腔种植学系，南京

摘要

骨整合是钛及其合金植入物植入后功能表现的前提，但常常受到材料生物相容性不佳等问题的影响。本研究旨在合成一种经过大颗粒喷砂、大粒径酸蚀（SLA）处理并添加镁离子纳米线的钛植入物表面，并探讨其表面特性以及体内的成骨性能。扫描电子显微镜（SEM）显示，Ti-SLA-NW-Mg表面具有典型的纳米线状拓扑结构。与Ti-SLA-NW相比，镁离子的引入对纳米形貌、粗糙度、润湿性和耐腐蚀性没有显著影响。X射线光电子能谱（XPS）分析和能量色散光谱（EDS）证实镁离子已成功负载在Ti-SLA-NW-Mg表面。体外实验表明，Ti-SLA-NW-Mg无细胞毒性，能显著促进细胞增殖和粘附，并诱导成骨细胞分化。此外，Ti-SLA-NW-Mg还能激活Wnt/β-连环蛋白通路，从而调节与成骨相关的蛋白质表达。大鼠股骨髁植入模型显示，Ti-SLA-NW-Mg显著促进了植入物周围的骨再生，增强了骨整合效果。总之，这种新型钛植入物表面改性技术为骨-植入物整合提供了有效策略，展现出在未来牙科应用中的巨大临床潜力。

引言

口腔种植修复已成为解决牙弓缺损和无牙症的标准治疗方法。其有效性和长期成功依赖于植入物与骨组织之间的快速稳定相互作用——即骨整合。[1] 钛及其合金是应用最广泛的牙科植入材料。然而，由于其表面的生物惰性，钛本身难以主动诱导骨整合。[2],[3] 因此，当前牙科种植学的研究重点是通过表面改性技术提高钛植入物的生物活性，以主动引导和加速骨整合过程。

值得注意的是，表面改性可以从多个维度提升材料性能。这些改性主要发生在微观和纳米尺度上，通过各种方法对表面微观结构和纳米结构进行修饰已成为近期研究的热点。SLA表面处理因能形成微米级多级凹坑结构而在临床得到广泛应用。与光滑的钛表面相比，SLA表面处理能有效增加材料表面积并促进细胞粘附。然而，长期暴露于大气中会导致形成疏水性氧化层，从而阻碍细胞反应。[4] 因此，需要额外处理来改善其性能。有多种方法可在钛表面创建纳米结构，这些结构不仅增加了表面积，还能促进细胞粘附、增殖和分化。[5] 研究还表明，钛的纳米拓扑结构可通过改变细胞骨架排列和结构来调节成骨相关标记物的核转录水平。[6] 因此，钛的纳米拓扑结构通过多方面机制促进细胞粘附、增殖和分化。

天然骨组织是一种多尺度、层次化的复合结构，由微米级的胶原纤维和羟基磷灰石晶体组成。但纯纳米结构的表面粗糙度较低，不利于与周围骨组织形成紧密连接。[7] 在SLA钛表面的微观结构上引入纳米级拓扑结构，构建仿生微纳米表面，被认为是结合微观机械互锁和纳米级细胞调控优势的理想策略。[8],[9] 我们之前的研究[10]也表明，碱性热处理方法可用于在钛表面合成纳米线结构。此外，这些结构还能抑制炎症细胞的极化。在之前的研究中[11]，在光滑钛表面构建纳米线结构表现出与SLA钛表面相当甚至略优的成骨性能。因此，我们假设在SLA钛表面构建纳米线可通过引入纳米结构进一步改善其表面性能，如提高表面能和润湿性。尽管钛在空气中几乎不腐蚀，但在口腔环境中，植入物与骨组织之间的生物和电化学作用仍可能引发腐蚀。[12]

为进一步提升钛表面的生物活性，引入生物活性离子成为一种有前景的方法。镁因其优异的生物相容性和可降解性而在口腔植入领域受到广泛关注。[13] 在早期炎症阶段，镁离子和氢气的适量释放创造了有利于骨再生的免疫微环境。[14] 镁离子（Mg2?）还参与了血管再生相关因子的激活。[15],[16] 更重要的是，Mg2?已被证明能显著促进骨再生和修复。Mg2?对成骨分化的调控涉及复杂信号通路网络的激活或抑制。[17] 然而，纯镁由于腐蚀和降解速度快而存在局限性。因此，将镁离子稳定地整合到钛植入物表面有望实现从物理引导到化学-生物诱导的飞跃。目前已有等离子喷涂、化学技术、电化学技术、自组装和3D打印等多种方法将Mg2?加载到生物水泥、水凝胶和生物陶瓷等材料中。[18] 但这些方法需要复杂的设备和高昂成本。我们亟需一种简单实用的方法。基于上述背景，本研究致力于开发一种简单有效的方案，在传统SLA钛表面合成负载镁离子的微纳米复合拓扑结构。我们采用一步碱性热处理在SLA钛表面原位合成纳米线，随后通过水热离子交换法加载Mg2?。

因此，本研究的目的是提出一种简单方便的合成方法，用于制备含有镁离子纳米线的SLA钛表面。将合成材料与常规SLA钛植入物进行比较，并评估其在体内和体外的成骨潜力。同时，我们还探讨了Ti-SLA-NW-Mg表面是否可通过激活Wnt信号通路来促进成骨细胞分化。本研究旨在为开发具有优异生物相容性的牙科植入材料提供新的设计理念和有力的实验证据。

材料表征

扫描电子显微镜（SEM）图像（图1B）显示，在低放大倍数下，其他钛表面与CP-Ti相比具有类似的凹坑结构。高放大倍数下观察到，SLA处理过的表面具有边缘清晰的微米级凹坑。Ti-SLA-NW和Ti-SLA-NW-Mg的凹坑边缘被纳米线包裹。这两种材料在结构上没有显著差异。能量色散光谱（EDS）结果（图1C、D）也证实了这一点。

讨论

本研究通过在SLA钛表面制备纳米线，并通过水热法加载镁离子来合成Ti-SLA-NW-Mg。随后评估了其生物相容性、耐腐蚀性和成骨分化能力。结果表明，Ti-SLA-NW-Mg表面具有纳米线特征的层次化微纳米结构。体外和体内实验均证实

结论

总之，本研究成功制备了负载镁纳米线的SLA钛植入物，从而在生理条件下提升了其成骨性能。改性后的钛表面具有独特的纳米线结构，增加了表面粗糙度和亲水性。这些物理改性为细胞粘附创造了更有利的微环境。此外，改性材料还能释放镁离子

伦理声明

动物实验获得了南京医科大学动物保护与使用委员会（IACUC-250643）的批准。所有实验均遵循ARRIVE指南进行。大鼠通过CO?窒息法处死，并通过颈椎脱位及观察心率和呼吸情况确认死亡。所有作者均审阅了研究数据并同意最终稿件。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

无

注释

图1、图6和图形摘要由BioRender.com制作

作者声明无利益冲突。

CRediT作者贡献声明

卢希如：方法学、实验设计、数据分析。姚正华：方法学、实验设计。周轩：方法学、实验设计、数据分析。马静怡：撰写初稿、方法学、实验设计、数据分析、概念构建。邱静：撰写修订、监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构建。李书迪：实验设计、数据分析。朱新燕：实验设计、数据分析。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：82271003）、国家重点研发计划（项目编号：2023YFC2413605）、江苏省自然科学基金（项目编号：BK20241865）以及江苏省科技教育能力提升计划-江苏省研究医院培育单位（项目编号：YJXYYJSDW4）和江苏省医学创新计划的支持。