医用钛及钛合金因其良好的机械性能、化学稳定性和生物相容性被广泛用作临床骨科植入物。然而，钛基植入体表面生物惰性导致其与周围骨组织整合性（骨整合）较差，从而导致无菌性松动。此外，钛基植入体本身缺乏抗菌性，容易引起细菌黏附甚至生物膜的形成，从而导致植入体相关感染问题，造成植入失败的严重后果。由于细菌粘附-生物膜形成及细胞粘附-骨整合等都发生在钛植入体的表面，所以通过表面改性赋予医用钛/钛合金植入体优异的抗菌能力和良好的骨整合性能，对于钛基植入体的长期服役至关重要。基于此，本研究利用微纳米拓扑结构化、层层自组装、纳米颗粒功能化、光响应调控等表面改性策略，构建了具有成骨诱导性能或/和抗菌性能的钛基植入体。进而，通过体外细胞/细菌实验和体内动物模型评价其有效性。本论文的主要研究内容和结论如下：
　　①铁离子沉积钛材微/纳米拓扑结构的构建及促成骨研究
　　物理因素（拓扑结构）和生化因素（活性元素）的结合是赋予钛基植入体良好骨整合功能的有效表面改性策略之一。在本研究中，经过简单的双酸处理和含铁离子溶液水热处理，在钛植入体表面构建了铁离子沉积的微/纳米拓扑结构表面。扫描电镜（SEM）、X-射线光电子能谱（XPS）和水接触角测试结果证实了掺铁微纳米拓扑结构的成功制备，且铁主要以钛酸铁（FeTiO3）形式存在。体外细胞试验表明，该结构具有良好的细胞相容性，有利于早期的蛋白吸附，改善了成骨细胞的早期粘附，进一步促进了成骨细胞增殖及成骨分化。体内动物实验表明，在微/纳米拓扑结构和铁离子沉积的协同作用下，改性后的钛植入体能够促进其周围的骨生成。
　　②钛植入体表面酶响应性抗菌界面的构建及评价
　　本研究中，在钛材表面构建了一种细菌感染微环境（高表达酶）触发的“自适应”抗菌界面，并赋予其良好的成骨诱导能力。首先，我们合成了两种用儿茶酚基团功能化的生物大分子，即多巴胺修饰的透明质酸（HA-c）和二氢咖啡酸修饰的壳聚糖（Chi-c）。然后，在钛材表面制备二氧化钛纳米管（TNT）阵列，用作万古霉素（Van）的药物储池。进而，使用Chi-c和HA-c作为聚阳离子和聚阴离子，通过层层自组装（LBL）在装载Van的TNT表面制备了生物相容性的聚电解质多层膜。由于该涂层具有较强的亲水性，能够有效抑制细菌的早期粘附。此外，该涂层能够实现细菌感染微环境中透明质酸酶（HAase）触发的Van按需释放，实现响应性的杀菌能力。更重要的是，即使多层膜有较强的亲水性，TNT@Van-LBLc表面具有丰富的儿茶酚基团，仍能够上调成骨细胞integrinαv和integrinβ3等细胞粘附相关基因的表达，从而有效地促进成骨细胞的早期粘附。植入体感染的动物实验结果表明，TNT@Van-LBLc植入体不仅能够有效地抑制细菌的粘附和增殖，还能够有效地促进植入体周围的新骨生成。
　　③钛植入体表面兼具成骨与远程光控杀菌的MoS2/PDA-RGD涂层的构建
　　本研究中，在钛材表面构建了兼具成骨与远程光控杀菌的二硫化钼（MoS2）/聚多巴胺（PDA）-精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）涂层。采用水热法在二氧化钛纳米管（TNT）阵列上制备了MoS2纳米片涂层，然后在PDA的协助下共价固定了生物相容性的RGD多肽。该涂层在近红外光照射下展现出高效的抗菌能力。其抗菌机理在于，近红外光照射后MoS2/PDA-RGD样品产生局部的高温加速细菌内部GSH的氧化，使细菌对氧化应激更加敏感。MoS2纳米片则展现出ROS非依赖性氧化应激，物理性地破坏了细菌膜的通透性和完整性，最终有效地杀灭细菌。另外，经RGD多肽修饰后，提高了MoS2纳米片的细胞相容性。细菌-细胞共培养实验表明，经近红外光热处理后，MoS2/PDA-RGD改性钛材表面可以有效地消除细菌，且能促进骨髓间充质干细胞（MSCs）在MoS2/PDA-RGD表面的粘附、增殖、分化。最终，在体内感染的微环境中，MoS2/PDA-RGD植入体在近红外光照射后仍能有效地促进新骨形成。
　　④钛材表面近红外光调控的生物膜消除及诱导成骨研究
　　针对钛植入体表面已形成的生物膜，本研究提出了一种兼具非侵入性光控生物膜消除及成骨诱导的界面构建新策略。将预先合成的具有近红外光热性能的介孔聚多巴胺（MPDA）纳米粒子锚定到钛（Ti）植入体表面。进一步，MPDA中具有丰富的芳香环和介孔结构，可以通过π-π堆积相互作用用于光敏剂吲哚菁绿（ICG）的装载。然后，利用MPDA表面上的二羟基吲哚/吲哚醌基团键合RGD多肽，构建Ti-M/I/RGD样品。在体外和体内验证了近红外光（NIR）照射下，Ti-M/I/RGD界面表现出协同的光热（PTT）和光动力（PDT）抗生物膜能力。其抗菌机理在于，NIR照射下的ICG产生大量的ROS，通过发挥PDT效应破坏细菌的膜结构，促使生物膜中的金黄色葡萄球菌变得对局部高温非常敏感。体外实验和动物实验结果表明：在NIR照射下，相对安全的低温条件下即可实现植入体表面生物膜的高效清除，效率达到95.4％。同时，由于表面RGD多肽，Ti-M/I/RGD植入体具有良好的细胞/组织相容性，可以显著地促进新骨生成和提高植入体的骨整合。
　　⑤钛材表面CO气体前药和DNaseⅠ功能化及其光控抗生物膜评价
　　为了抑制感染微环境中钛植入体表面生物膜的形成，同时降低光热杀菌所需的局部温度，本研究将装载羰基铁（CO气体前药）和脱氧核糖核酸酶Ⅰ（DNaseⅠ）功能化的聚多巴胺纳米颗粒（DNase-CO@MPDA）锚定到钛材表面。体外抗菌实验表明，纳米颗粒功能化表面的DNaseⅠ通过降解胞外聚合物（EPS）中的eDNA，使生物膜的框架坍塌，从而有效地抑制生物膜的形成。同时，在近红外光（NIR）照射下，功能化的钛材界面不仅能局部升温，还可以实现CO气体的按需释放。通过CO气体治疗和温和光热治疗的协同作用，有效地杀死了周围未粘附的浮游细菌和粘附在材料表面上的细菌。通过活死染色、TEM观察和ONPG水解实验证实了协同作用下，裸露细菌的膜结构遭到了破坏。在近红外光照下，DNase-CO@MPDA纳米颗粒功能化的钛基板不仅具有高效的杀菌性能，还具有良好的细胞相容性。