钛及钛合金具有优异的机械力学性能、耐腐蚀性能及良好的生物相容性,使之在骨科、齿科等硬组织替代材料方面得到广泛应用。然而,钛金属内在的生物活性不足,同时缺乏抗菌性能容易引发感染,最终导致植入失败。研究表明,钛金属表面微纳米多级结构可整合微米粗糙形貌良好的机械锁合性及纳米结构优异的促细胞粘附、增殖及成骨分化特性,极大的增强植入材料与周围组织的结合,显著提高其骨整合性能。为此,基于仿生学的观点和天然骨组织有机/无机材料跨尺度精确组装的灵感,在医用钛植入材料表面构建多尺度的微米-亚微米-纳米有序多级结构。从微/纳米尺寸、纳米有序性、润湿性、TiO2晶型等材料表面特性对前成骨细胞粘附、增殖及成骨分化性能进行系统分析,深入探究微纳米多级结构对细胞生物学行为调控的分子机理。此外,为了解决临床应用中植入材料表面抗菌改性涂层的高效及安全性问题,在医用钛植入材料表面引入具有低毒和广谱抗菌性的活性多肽,构筑兼具高效及长效抗菌性能、良好细胞活性及成骨活性的复合膜层,并对相应的抗菌及促成骨机理进行解释。主要研究成果及进展如下:1.运用电化学自组织刻蚀、化学刻蚀及阳极氧化相结合的方法,通过调控电化学阳极氧化条件,在医用钛金属表面成功制备微米凹坑、亚微米突起以及不同尺寸纳米管阵列多级结构,纳米管管径与阳极氧化电压呈正相关。纳米形貌的构筑在保持微米凹坑阵列形貌不变的前提下,极大地增加了材料表面的亲水性。体外细胞实验表明,与单纯的微米凹坑阵列结构（EE）相比,微米/亚微米（EE+CE）及微米/亚微米/纳米（5V/10V/20V）多级结构赋予钛表面更优的细胞行为。其中,较小的纳米尺寸及粗糙度（5V和10V）更有利于细胞早期的粘附及增殖,而具有更大管径及粗糙度的（20V）表面结构则具有更高的碱性磷酸酶（ALP）活性、胶原分泌、细胞外基质矿化以及成骨基因的表达。Wnt/β-catenin信号通路抑制剂IWP-2的加入可抑制成骨分化指标的产生,揭示了该信号通路在微米-亚微米-纳米有序多级结构促进细胞成骨分化过程中起至关重要的作用。2.通过调控电化学自组织刻蚀过程二次刻蚀电压,在钛金属表面成功构筑具有不同微米尺度、相同亚微米及纳米形貌的微纳米多级结构。随着二次电化学刻蚀电压的增大,微米凹坑尺寸逐渐增大。二级微米结构及纳米结构的引入并未改变微米凹坑的形貌及尺寸。体外细胞实验表明,微纳米多级结构钛表面细胞粘附、铺展及增殖良好,相同的纳米形貌使得细胞的早期粘附无明显区别。表面微米粗糙度的较小尺寸变化（6V、8V）使细胞增殖较快,而大尺度微米结构（10V）表面细胞增殖量相对较低。碱性磷酸酶活性及成骨基因相对表达结果显示,具有更大的与细胞大小匹配的微米尺寸及合适粗糙度的微纳米多级结构（10V）可促进细胞向成骨分化。不同微米尺度的微纳米多级结构表面是通过激活Wnt/β-catenin信号通路,刺激成骨指标的分泌如ALP、胶原及细胞外基质钙结节的形成,从而增强植入体表面的骨整合性能。3.通过调节电化学刻蚀参数,在医用钛表面成功构筑了微米形貌相同、表面化学、润湿性及粗糙度等相似的有序微米凹坑阵列及有序纳米管阵列或无序纳米海绵状多级结构。研究表明,钛表面锐钛矿或锐钛矿/金红石晶型的微纳米多级结构体外模拟矿化能力明显增强,纳米有序或无序结构对类骨磷灰石的形成影响不大。锐钛矿/金红石混相Ti02可提高细胞早期粘附及增殖,无序纳米形貌对于细胞粘附有促进作用。微米有序/纳米有序多级结构与微米有序/纳米无序结构相比,可增强碱性磷酸酶活性、胶原分泌、细胞外基质矿化以及成骨基因的表达,锐钛矿晶型的微/纳米有序多级结构（20V-450℃）具有更优的促成骨分化性能。微米有序-纳米有序/无序结构通过提高GSK-3β的磷酸化水平,抑制β-catenin的降解,激活Wnt/β-catenin通路,促进骨整合。4.在聚多巴胺辅助作用下,通过共价接枝和静电吸附策略成功在TiO2纳米管（TNT）表面构筑多层ε-聚赖氨酸（ε-PL）和阿拉伯胶（GA）复合膜层。研究表明,钛植入体表面ε-PL/GA复合膜层对S.aureus和E.coli均具有良好的抗菌性能,随着负载层数的增加,抗菌性能逐渐增强。此外,钛表面多层复合膜层（PL2/PL3）可通过抑制粘附和接触杀菌协同作用保持长效抗菌能力（21天）。同时,通过ε-PL和GA的引入改善钛植入材料表面化学特性,显著提高大鼠骨髓间充质干细胞（BMSCs）的增殖,增强材料表面成骨分化性能如ALP活性、胶原分泌及细胞外基质矿化。ε-PL和GA层层自组装多层复合膜层赋予了钛金属材料良好的抗感染及成骨双重功能,生物安全性高,可在临床应用上发挥巨大潜能。