钛及其合金是临床上常用的骨植入材料,其优良的生物相容性与耐腐蚀性能源于表面致密的二氧化钛（TiO₂）钝化膜。但是TiO₂的生物惰性使得植入体与骨之间难以形成牢固的骨性键合,影响植入后的长期稳定性,因此有必要对其进行改性处理。大量研究报道显示TiO₂晶体结构、润湿性和表面形貌等均会影响成骨细胞活性,但由于各表面性质之间相互干扰,导致研究结论存在争议。并且,目前大部分研究集中在细胞生物学层面,其影响机理仍不清楚,因此有必要从更进一步的分子生物学层面来解释其生物学效应。此外,骨整合是多种细胞共同作用的复杂过程,在提高钛植入体骨整合能力方面,以往的研究过于关注材料表面成骨细胞的行为,而忽略了对骨免疫和神经再生微环境的调控。基于以上背景,本工作拟对钛植入体表面性质,包括晶相组成、润湿性和表面形貌等分别进行调控,考察植入体表面性质介导的蛋白质吸附和构象、细胞相关整联蛋白的表达及细胞内信号通路的激活对细胞行为的影响,并评价TiO₂薄膜光电转换对神经细胞分化的促进作用,揭示植入体表面性质对成骨分化、骨免疫及神经再生微环境的调节作用及机制。本研究取得的主要结果如下:1、晶相影响研究:采用原子层沉积技术结合退火处理,制备得到锐钛矿相和金红石相TiO₂薄膜,并保证二者表面形貌和润湿性一致。相比于金红石相TiO₂薄膜,锐钛矿相薄膜表面前成骨细胞粘附与铺展较优,细胞增殖明显,同时能促进其ALP分泌和矿化,成骨相关基因的表达也较高,表现出更好的促成骨分化能力。机理探索发现,锐钛矿相结构更利于表面Ti-OH形成,能够促进吸附纤连蛋白上细胞结合位点RGD的暴露,从而利于细胞粘附及后续行为。2、润湿性影响研究:结合原子层沉积技术、紫外辐照和微接触印刷方法,制备得到亲水、疏水及亲/疏水条带相间的三种形貌相近的表面。结果显示,亲水表面更能够促进巨噬细胞骨架伸展,调节其向抑炎症的M2表型极化,并利于巨噬细胞促成骨相关因子的表达,进而对前成骨细胞的成骨分化产生有利影响,表现出良好的骨免疫性能。机理探索发现,润湿性通过影响特异性蛋白如纤连蛋白、纤维蛋白原的吸附量和构象,分别引起巨噬细胞膜上整联蛋白β1、β2的选择性表达,整联蛋白β1和β2能够分别激活细胞内PI3K/Akt和NF-κB信号通路,从而调控巨噬细胞的极化状态。3、表面形貌影响研究:制备亚微米尺度的柱状和凹坑形貌,不同形貌表面亲水性相近,研究亚微米结构对巨噬细胞炎症反应的影响及机理。结果显示,亚微米结构较之光滑表面更能够促进巨噬细胞向M2表型转变,且不同亚微米结构对巨噬细胞的影响不同,其中矮柱（高150 nm）和凹坑（深150 nm）表面较之高柱（高400 nm）表面更有利于巨噬细胞向抑炎症、促成骨愈合的方向极化。机理探索发现,亚微米结构促进了吸附纤连蛋白上细胞结合位点的暴露,且不同的亚微米结构表面纤连蛋白的分布和构象不同,其中矮柱和凹坑表面吸附蛋白更易于被细胞识别和结合。细胞与纤连蛋白的结合与整联蛋白β1的表达相关,β1能够激活细胞内PI3K/Akt信号通路,抑制下游NF-κB,从而促进巨噬细胞向抑炎症方向极化。4、光电性能影响研究:通过调整原子层沉积的循环次数与沉积温度,调控TiO₂薄膜的微观结构,并对其光电转换性能进行了研究。结果显示,TiO₂薄膜结晶程度的提高有助于增强其光电转换性能;当薄膜晶粒尺寸由200 nm降至20 nm以下,其禁带宽度由3.13 eV降至2.90 eV,说明纳米尺寸的小晶粒有利于降低TiO₂薄膜禁带宽度,其光生载流子浓度相应提高;此外,柱状晶结构有利于载流子迁移。在300oC,1500循环次数下沉积的TiO₂薄膜结构为纳米尺寸的柱状晶,具有较好的光电转换性能,其光电流（约2μA/cm²）促进了神经细胞伸展与增殖,有助于细胞上神经突起的形成和发育,对神经细胞的分化起到促进作用。