模拟细胞外基质的表面特性提升了钛植入物的生物相容性和抗菌性能

《Surface and Coatings Technology》：Extracellular matrix–mimicking surface feature enhances biocompatibility and antibacterial performance of titanium implants

钛表面通过SLA与碱处理生成仿生结构，接枝EGCG交联的I型胶原，显著提升内皮细胞迁移、骨髓间充质干细胞黏附及矿化能力，同时抑制口腔链球菌黏附，为老年患者骨整合植入物提供新型生物活性表面修饰方案。

　　

黄和雄|程玉英|刘佳飞|Thantrira Porntaveetus|Thanaphum Osathanon|陈伟成

台湾国立阳明交通大学牙科学院，台北112304

摘要

喷砂和酸蚀（SLA）被广泛用作钛（Ti）牙科植入物的标准表面处理方法；然而，SLA处理后的表面仍然具有生物惰性，通常无法引发足够的骨整合，尤其是在老化等不利条件下。鉴于生物相容性和抗菌性能在骨再生过程中的关键耦合关系，迫切需要开发出能够更接近天然细胞外基质（ECM）微环境的生物活性Ti表面，特别是对于骨孔质量较差的老年人。在本研究中，通过依次进行SLA处理和碱性处理，然后嫁接与天然多酚表没食子儿茶素-3-没食子酸酯（EGCG）交联的I型胶原，制备出一种仿ECM结构的Ti表面。这种策略生成了一种具有纳米级、亚微米级和微米级特征的超亲水三维纤维网络，类似于天然ECM的结构。系统地表征了表面的形态、粗糙度、亲水性和胶原保留情况。与传统SLA处理的表面相比，EGCG交联的胶原改性Ti表面不仅显著增强了人脐静脉内皮细胞的迁移能力，还提高了人骨髓间充质细胞的粘附性和细胞外基质的矿化程度，表明其生物相容性得到了改善。此外，这种仿ECM表面还有效抑制了变形链球菌的口腔粘附。总之，研究结果表明，所提出的仿ECM Ti表面在促进生物相容性的同时，能够抑制细菌粘附。这种简单有效的表面改性策略对于提高Ti牙科植入物的生物性能具有巨大潜力，尤其是在老年人中。

引言

由于其优异的机械性能、耐腐蚀性和生物相容性，钛（Ti）被广泛用于牙科和骨科植入物[1]，[2]。然而，Ti表面仍然具有生物惰性，无法主动刺激稳定的骨整合所需的细胞反应，这可能导致植入物松动和失效，尤其是在老化或骨质疏松的情况下[3]，[4]，[5]。随着医疗技术的不断进步，全球人口正在迅速老龄化。老年人通常具有较差的牙槽骨质量，面临更高的牙科植入物失败风险、更长的骨整合愈合时间以及由于口腔卫生不良和不利口腔微环境而导致的感染风险增加。在这些条件下，提高牙科植入物的长期成功率和临床存活率已成为一个关键问题，尤其是在老年人中。

成功的骨整合是一个复杂的生物过程，不仅涉及成骨作用，还包括早期的血管生成。越来越多的证据表明，在骨再生过程中，血管生成和成骨之间存在强烈的耦合关系，因为血管化提供了成骨分化和矿化所需的氧气、营养物质和血管生成信号[6]，[7]，[8]。此外，细菌在牙科植入物表面的粘附和生物膜形成仍然是主要挑战，常常导致种植体周围炎症和骨丢失[9]，[10]。

喷砂和酸蚀（SLA）被认为是商业牙科植入物的金标准表面处理方法[11]，[12]。SLA过程产生的微米级和亚微米级粗糙度增强了植入物与骨组织之间的机械互锁[12]。然而，SLA处理后的表面仍然缺乏足够的生物信号，生物惰性较强，限制了其主动调节细胞行为的能力[13]。

细胞外基质（ECM）在骨结构、功能和再生中起着核心和动态的作用。最近的植入物表面工程策略越来越强调模仿ECM的层次结构和生化组成的仿生方法[14]，[15]，[16]。I型胶原是骨ECM的主要有机成分[16]，[17]。将I型胶原固定在Ti表面上已被证明可以增强成骨细胞的粘附、增殖和矿化，并改善体内的骨再生[18]，[19]，[20]。

表没食子儿茶素-3-没食子酸酯（EGCG）是一种来自绿茶的主要儿茶素，具有抗氧化、抗炎、促骨和抗菌特性[21]，[22]。由于其多酚结构，EGCG可以通过氢键稳定胶原，提高其对酶降解的抵抗力，同时保持胶原的生物活性[23]，[24]。这些特性使EGCG成为基于胶原的生物材料的理想天然交联剂。

在本研究中，我们提出了一种简单有效的表面改性策略，用于制备适用于牙科植入物的仿ECM结构的Ti表面。首先通过结合SLA和碱性处理生成了具有纳米级、亚微米级和微米级特征的纤维网络，并具有超亲水性。随后使用EGCG作为天然交联剂将I型胶原嫁接到表面上，创造出一种超亲水、生物活性的界面，这种界面与天然骨ECM非常相似。系统地表征了表面的形态、粗糙度、亲水性和胶原保留情况。此外，使用人脐静脉内皮细胞（HUVECs）、人骨髓间充质干细胞（hMSCs）和口腔细菌（变形链球菌，S. mutans）全面评估了仿ECM表面在生物相容性和抗菌粘附方面的效果。本研究的目的是开发一种多功能Ti牙科植入物表面，能够在提高骨再生的同时降低感染风险，特别是在骨孔质量较差的老年人中。

部分摘录

样品制备

使用直径为15毫米、厚度为1毫米的商业纯医用级Ti（IV级）圆盘作为基底。所有样品均依次使用碳化硅砂纸打磨至#800粒度，以获得均匀的基线表面。然后使用平均直径为120微米的氧化铝颗粒进行喷砂处理，以生成粗糙表面（标记为S）。喷砂后的样品随后在混合氢氟酸/硝酸（HF/HNO?）中酸蚀

表面表征

图1(a)展示了测试样品的SEM显微图，显示了表面的形态。结果表明，SLA处理后的表面具有特征性的微米级和亚微米级纹理。经过碱性处理后，在SLA原有的微/亚微米级结构上叠加了纳米级网状结构，形成了层次化的表面结构。胶原、EGCG或胶原+EGCG处理并未破坏这种多尺度形态，C、E和EC表面均保留了这种结构

结论

ECM对骨结构和再生至关重要。本研究采用天然交联剂EGCG作为生物功能性交联剂，将I型胶原嫁接到粗糙且超亲水的Ti表面上，旨在制备出模仿ECM形态和生物分子特性的Ti牙科植入物表面。这种生物分子介导的表面改性不仅提高了Ti表面的体外生物相容性——通过促进HUVECs的迁移和粘附

CRediT作者贡献声明

黄和雄：撰写——原始草稿、资源获取、项目管理、方法学、研究、资金申请、正式分析、概念构思。程玉英：方法学、研究、正式分析、数据管理。刘佳飞：监督、方法学。Thantrira Porntaveetus：撰写——审阅与编辑、资金申请。Thanaphum Osathanon：撰写——审阅与编辑、监督。陈伟成：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、监督，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了台湾国家科学技术委员会（编号：NSTC 109-2314-B-010-009-MY3）和麦凯纪念医院（编号：MMH-114-54、MMH-114-056和MMH-114-88）的支持。TP还得到了泰国科学研究与创新基金、朱拉隆功大学（HEA_FF_69_036_3200_003）以及朱拉隆功大学的第二世纪基金（C2F）对FutureDent数字中心的资助。