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目的:既往对于钛金属植入物的研究主要集中在合金成分的改良、孔隙率和孔径大小的调控、金属表面改性等方面,缺乏对金属物理形变与骨组织再生的研究。钛金属在一定的应力作用下会发生弹性形变,但这种弹性形变所引起的力学信号对黏附在其表面的骨髓间充质干细胞(BMSCs)生物学行为产生怎样的影响尚未有研究报道。本研究旨在探讨钛金属弹性形变对BMSCs生物学行为的影响,并通过钛金属表面纳米形貌修饰辅助控制细胞形变,深入研究钛金属弹性形变对BMSCs黏附、增殖、凋亡、成骨分化等影响及其分子机制,从而达到促进金属-骨界面整合和骨再生的目的。方法:1、一种基于钛金属弹性形变的力学加载系统的研制根据实验对钛金属试件的力学加载条件需求,需研制出一种能对钛金属试件施加循环往复的压应力的装置,并且该装置输出力的大小、频率和周期等参数精确可控,装置需满足操作方便、工作条件稳定、性能可靠等条件。2、钛金属表面纳米微形貌的制备及表征采用阳极氧化的方法制备钛金属表面纳米管形貌,采用扫描电子显微镜、原子力显微镜、接触角测试等手段系统表征阳极氧化产物的显微结构。3、钛金属弹性形变对BMSCs生物学行为的影响首先探究促进BMSCs成骨分化的相对最佳的形变量大小、频率和周期。设置力学加载参数,形变量大小为:0.3%、0.6%、0.9%和1.2%,频率为:0.5Hz、1Hz、2.5Hz和5Hz,周期为:5min/d、15min/d、30min/d和60min/d,采用ALP染色法评估力学刺激后BMSCs碱性磷酸酶活性,以初步确定相对最佳的力学加载参数。然后再以此力学参数为实验条件,采用CCK8、流式细胞术、扫描电子显微镜、免疫荧光、实时定量PCR、Western Blot等方法深入探究钛金属弹性形变对BMSCs增殖、凋亡、黏附、细胞形态、成骨标志基因和蛋白表达的影响并探究其分子机制。结果:1、成功研制对钛金属试件进行力学加载的实验装置。该装置主要由驱动系统、执行系统和控制系统三部分组成。主要包括电机、电机驱动器、电机编码器、杠杆式下压加力结构、实验装置底座、钛金属试件定向辅助支持结构和钛金属试件等部件。该装置可对钛金属试件施加不同强度、频率和周期的动态压应力,具有工作条件稳定、操作方便、力学加载控制精确度高、结构简单耐用、性能可靠等优点。2、成功制备钛金属表面纳米管形貌。扫描电镜和原子力显微镜结果显示钛金属表面纳米管分布均匀,管径一致,直径约80nm,高度约2μm;阳极氧化产物的元素组成主要为Ti和O元素;钛金属试件静态接触角为93.38±1.387°。3、ALP染色结果显示,在本次实验所设置的力学加载参数范围内,促进BMSCs成骨分化的最佳力学参数为:形变量:0.9%,频率:5Hz,周期:30min/d,这一相对最佳的力学参数将用于后续实验以深入探究钛金属弹性形变对BMSCs增殖、凋亡、黏附、细胞形态、成骨基因表达以及分子信号通路的影响。CCK-8结果显示BMSCs在力学刺激后的第1天和第2天细胞增殖无明显差异,力学刺激后的第3天促进细胞增殖(P<0.05);流式细胞术结果显示力学刺激对细胞凋亡无显著影响;扫描电镜和细胞骨架染色结果显示力学刺激促进细胞铺展和细胞骨架的排列;免疫荧光染色结果显示力学刺激促进BMSCs黏附斑表达量的增加;实时定量PCR结果显示,力学刺激促进成骨分化标志基因Runx2、ALP、BSP、Col-1、OCN和OPN的表达(P<0.05);Western Blot结果显示钛金属弹性形变促进BMSCs中FAK、Erk1/2、磷酸化水平增加以及Runx2蛋白表达水平升高。结论:钛金属弹性形变促进BMSCs成骨分化,在本研究中的相对最佳力学参数为0.9%,5Hz,30min/d;钛金属弹性形变促进细胞黏附、铺展和增殖,促进BMSCs黏附斑的表达,以及促进成骨标志基因Runx2、ALP、BSP、Col-1、OPN和OCN的表达;钛金属弹性形变可能通过激活FAK-Erk1/2-Runx2信号通路促进成骨分化。