骨科植入物被广泛用于骨缺损的治疗,其中钛基金属材料由于生物相容性和力学性能优异,成为最广泛使用的骨科植入物材料之一。然而,钛基金属材料本身具有的生物惰性对其骨修复能力具有不利影响,因此通常需要对其进行表面修饰,以提高其骨整合能力或使其具备抗菌、消炎等功能。近年来,许多研究人员倾向于使用微/纳米级混合拓扑结构来促进干细胞分化、增殖,并取得良好效果。然而微纳结构影响细胞行为的机制仍不明确,非控制变量的实验方案和传统基因分析手段的局限为两个主要制约。本研究首先将微弧氧化与水热法结合在钛支架表面构建了尺寸可控的微纳结构的仿生涂层,并使微纳和微米结构涂层表面组分、物相基本保持一致,实现了变量控制,为后续机理研究提供了材料基础。然后,我们采用高通量基因测序技术,在基因组学层面上获取大量关键数据。通过生物信息学分析手段,对微纳结构中微米和纳米结构对细胞行为的影响进行了深入分析。结果表明微纳结构中的微米结构基底具备促进细胞分化的功能,并在促进细胞增殖过程中做出主要贡献。而纳米结构通过进一步提高细胞的粘附和结合,进而影响了后续的成骨分化表现。理解微纳结构对细胞行为的影响机理,对骨科植入物表面微纳拓扑结构的设计具有极大的指导作用。虽然目前骨科植入物已经较为成熟,但是仍然存在失效过早的问题,而且主要由无菌性松动和晚期细菌感染两个因素导致。针对上述问题,本研究分别设计开发了不同的表面修饰策略。一方面,我们在钛支架表面构建阿司匹林缓释涂层,从促进骨整合与抑制免疫炎症反应两个环节缓解钛基骨科植入无菌性松动问题。另外,在微弧氧化后的钛支架表面共价结合万古霉素,将促进骨整合与抗生素杀菌作用相结合,从降低细菌粘附和杀菌两个方面建立长期抗菌涂层,缓解支架晚期感染问题。目前的实验数据证实了我们所构建的涂层具备实际应用潜力,但是受时间和精力所限,本研究仅进行了材料的制备和表征,后续生物学实验交由他人合作开展。总而言之,本课题围绕钛基骨科植入物的表面修饰进行了研究。一方面,实现了微纳拓扑结构的可控制备,并对钛片表面微纳结构与细胞之间的相互作用规律及相关机理进行了深入研究。另一方面,我们在钛支架表面构建了阿司匹林药物缓释涂层,并在微米结构涂层表面共价修饰万古霉素,为解决无菌性松动和晚期感染两个影响骨植入物长期有效性的关键问题做出了尝试。