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金属植入体表面修饰以增强其与宿主骨的骨性键合(骨整合)是骨修复领域的重要课题。采用微纳结构和生物活性物质构建适合细胞／组织生长的表面微环境,是促进表面骨组织形成和骨整合的有效手段。然而,二者如何有效结合,共同发挥作用仍是一个挑战。本论文以具有优良细胞响应性的Ti02纳米结构为基础,进一步优化微纳结构,承载生物活性元素Mg或Zn,在钽金属上构建出具有高成骨效能的表面修饰层(薄膜),并对其在细胞粘附、增殖、分化和矿化等方面进行评价,探讨了微纳结构和活性元素对细胞成骨协同作用的机制。本文主要取得了如下3方面的研究结果：1.含Mg的Ti02纳米点薄膜。采用溶胶一凝胶法直接将Mg元素掺入Zi02纳米点中。通过在前驱体溶胶中控制Mg加入量(0～0.1Mg/Ti,摩尔比),可形成纳米点尺寸和分布相似的不同Mg含量的TiO2纳米点薄膜。其纳米点为多晶锐钛矿,Mg在纳米点表面层有一定的富集。薄膜的Mg释放量与其含量近似成正比,但累积总释放量很低(0.1Mg-TiO2的14天累计释放为0.017μg/mL)。在薄膜吸附蛋白质能力方面,Mg的掺入有一定的促进作用。前成骨细胞培养结果显示,掺Mg后,Ti02纳米点薄膜的1天的细胞粘附数量和7天的增殖数量方面分别提高17.5%和18.4%,表明了Mg掺入具有一定增强细胞相容性的作用。2.以生物玻璃为载体的含Zn的TiO2纳米棒薄膜。采用溶胶-凝胶法将含Zn生物玻璃嵌入TiO2纳米棒薄膜中。在制备中,改变了生物玻璃前驱体溶胶的浓度(Si浓度0.160 mol/L-0.320 mol/L),Si浓度为0.213～0.256 mol/L时,嵌入薄膜厚度为200～270 nm。玻璃的嵌入不仅为Zn提供了载体,也进一步改善了Ti02纳米棒薄膜的微纳结构,提高了生物响应性。在生物玻璃中引入TiO2组元,能有效抑制生物玻璃的过快降解,当Ti/Si=0.5(摩尔比)时嵌入的生物玻璃具有合适降解行为,可满足刺激细胞的要求。用Zn替代部分Ca,结果显示不影响生物玻璃的嵌入厚度和降解行为,14天的Zn释放总量低于0.1μg/mL。在细胞培养方面,嵌入含Zn生物玻璃的Tio2纳米棒薄膜(TiO2/Zn-BG)的生物响应性明显高于含Zn玻璃薄膜(Zn-BG)和嵌入不含Zn玻璃的Ti02薄膜(TiO2/BG),尤其在成骨分化的评价中,TiO2/Zn-BG薄膜上的细胞的7天ALP活性分别高于Zn-BG薄膜25.1%和TiO2/BG薄膜43.9%,14天的OCN分泌分别高出130.9%和1041.0%,14天的Runx-2基因表达分别高出309.8%和505.6%,21天的细胞外基质矿化水平分别高出176.9%和476.5%。在较低的Zn释放浓度条件下,TiO2/Zn-BG薄膜能产生上述各个细胞阶段的优良成骨分化活性,反映出纳米结构与生物活性元素发挥了协同作用,其机制可理解为：Ti02纳米棒结构促进细胞初期粘附和铺展,TiO2纳米棒、含Zn生物玻璃和粘附于顶端的细胞三者一起构建了一个半封闭的空间,这样的微环境有利于Zn有效发挥对细胞的刺激作用,从而使细胞具有高成骨分化效能。3.以磷酸钙为载体的含Zn的TiO2纳米棒薄膜。采用旋涂法将含Zn磷酸钙(Zn-CaP)涂覆于TiO2纳米棒薄膜上。在制备中,通过旋涂方法和转速的改变,可获得Zn-CaP的不同分布,Zn-CaP在薄膜表面的存在,不仅给薄膜赋予了活性成分Zn,也为薄膜提供了微米尺度的结构。在Zn-CaP密分布的薄膜(TiO2/D-ZCP)上,Zn-CaP厚度为314±20 nm,覆盖度为49.7%；在稀分布的薄膜(TiO2/S-ZCP)上,Zn-CaP厚度为204±37 nm,覆盖度为37.6%。未覆盖的TiO2纳米棒区域的长宽尺寸在50～150μm,其与呈微米尺度分布的Zn-CaP覆盖层共同构建了特殊拓扑结构的表面形貌。由于经过500℃热处理,Zn-CaP覆盖层与Ti02纳米棒薄膜结合牢固,且覆盖层的Zn-CaP成分为结晶度较低的羟基磷灰石(HA), Zn的掺入没有影响CaP的晶相。TiO2/D-ZCP和TiO2/S-ZCP薄膜的Zn-CaP覆盖层降解较快,且Zn累积释放浓度(7天累计释放分别为0.104μg/mL和0.087μg/mL)远低于完全覆盖的参照试样(F-ZCP, 0.200μg/mL)。在细胞培养方面,与TiO2/D-ZCP薄膜和F-ZCP薄膜相比,培养在TiO2/S-ZCP薄膜上的MC3T3-E1细胞有更强的成骨分化的能力,TiO2/S-ZCP薄膜上的细胞的14天的OCN活性分别高于TiO2/D-ZCP薄膜20.9%和F-ZCP薄膜45.4%,14天的Runx-2基因表达分别高出188.0%和184.4%,21天的细胞外基质矿化水平分别高出109.2%和108.2%。在较短周期的降解释放后,TiO2/S-ZCP薄膜能产生上述细胞分化后期的优良成骨活性,反映出其结构与成分的组合作用,其促进机制可认为是：纳米尺度的拓扑结构促进了细胞的粘附和伪足伸展,微米尺度的拓扑结构促进了细胞的增殖,Zn等活性元素释放促进了分化。本文Ti02微纳结构与生物活性元素结合的薄膜能很好地产生出两者协同增强的生物学效应,此为金属植入体表面修饰中结合微米／纳米拓扑结构和生物活性元素提供了一种新颖设计思路,对高效促进骨整合具有重要的意义。