承重骨植入物包含人工膝关节、髋关节假体以及椎间融合器等应用于四肢和脊椎的植入物。这些植入物起到填充骨缺损、承受人体运动负荷的作用,因而对植入物机械性能要求较高。目前临床骨科中应用为承重骨植入物的材料主要包括钛合金为代表的金属材料以及PEEK为代表的特种工程塑料材料。钛合金植入物的弹性模量(约100-110 GPa)比大多其他骨科临床应用的金属植入材料更低,且生物相容性更好。PEEK材料弹性模量约为3.5-3.9 GPa,与人体骨弹性模量更接近(10-30 GPa)。而且特种工程塑料材料可以进一步通过材料掺杂提升机械性能达到与骨组织更加匹配。但这两类材料均存在表面惰性问题,难以与骨组织形成直接的骨性结合(即骨整合)。植入物骨整合性能不佳,则会影响术后早期快速成骨修复以及远期的植入物长期服役时间。随着医疗健康水平提升,人类平均寿命得以增长,与此同时初次接受关节置换的年龄则呈逐渐年轻化趋势。这一情况将造成骨整合不良的关节假体服役时间短于患者预期寿命,必然越来越多患者将进行二次翻修。当进行翻修手术时,患者年龄较初次手术明显增长,骨质情况变差,这为翻修手术带来了较大的挑战。翻修手术带来的风险、患者承担的痛苦、社会经济负担等对改善承重骨植入物的骨整合性能提出了迫切要求。针对于植入物骨整合的需求,植入物表面改性是一种行之有效的改善表面惰性的手段。一方面可通过调节植入物表面的物理、化学信号促进成骨分化及骨骼发育实现骨整合;另一方面则可以通过表面改性调节植入物周围微环境,抑制不利于组织修复的消极因素,增强促进骨修复的积极因素。金属钽及其钽基复合材料具备良好的生物学性能和抗腐蚀性能,同时可通过掺杂其他元素进一步提升生物活性,因而承重植入物表面钽基涂层得到了众多关注。本研究中,我们通过磁控溅射技术在承重骨植入物材料表面制备钽基涂层,尝试通过改善植入物表面生物活性和调节局部微环境实现更佳的骨整合效果。研究内容主要包括如下两部分:一、在钛合金植入物表面制备TaCN涂层通过主动募集局部微环境中的成骨生长因子实现良好的骨整合修复。本部分工作由第2、3两章组成。我们通过磁控溅射技术在钛合金样品表面制备了TaC和TaCN两种涂层,并在后续研究中与钛合金材料进行对比。经AFM检测TaC和TaCN两种涂层形貌接近,对样品表面形貌特征影响较小,粗糙度均较TC4略为降低。水接触角检测表明TaC和TaCN两种涂层材料表面是亲水的。而体外的细胞黏附、细胞活力及细胞增殖研究发现TaC和TaCN组生物相容性均优于TC4。但两种涂层材料对BMSCs成骨分化的影响方面差别较大:相对TaC和TC4组,TaCN能够促进碱性磷酸酶分泌。TaCN能促进4、7天时的BMP-2、Runx-2、OPN的表达;而TaC组在第4天时Runx-2表达量低于TaCN组,第7天时3种基因表达量均低于TaCN组。综上所述,TaC和TaCN涂层均具有良好的生物相容性,其中TaCN涂层能够明显促进BMSCs的成骨分化。为探究这一现象的发生机制,我们对浸泡在模拟体液(SBF)中72h的涂层表面理化性质进行分析,结果发现TaCN涂层表面能够富集OH-基团而带有负电荷。体外蛋白黏附实验及体内蛋白芯片分析确认材料负电荷表面能够诱导带正电荷的骨生长因子富集到植入物表面,进而起到调节骨修复功能的级联效果。12周的动物实验证明在这种级联效果作用下,TaCN涂层植入物周围新生成骨量几乎达到钛合金植入物的2倍,并且骨组织与植入物形成直接结合的骨整合效果。TaCN涂层的卓越骨整合性能表明这一涂层可能是一种潜在有较好应用前景的增强植入物骨修复能力的表面改性手段。更为重要的是这项工作提出了通过主动募集宿主体液中的生长因子实现良好的骨整合修复的新型治疗策略,这一策略是创新的且更易实现临床转化。二、3D打印技术制备多孔PEI-TCP促进骨长入,表面沉积TaN涂层提高支架生物相容性和抗炎作用,协调促进植入物骨整合。本部分工作由第4、5两章组成。在这一部分工作中,聚醚酰亚胺(PEI)被应用为3D打印骨植入物研究的材料,它是一种造价低于PEEK的生物相容特种工程塑料。PEI力学性能和PEEK接近,但较PEEK更易加工。我们通过FDM打印技术制备PEI和PEI-TCP(含10 wt.%β-TCP)支架,随后通过磁控溅射技术在3D多孔植入物外周表面沉积TaN涂层获得了PEI-TaN支架和PEI-TCP-TaN支架。体外研究表明掺入β-TCP和沉积TaN涂层均能提高材料的生物相容性,但PEI-TCP对细胞增殖影响不明显。掺入β-TCP的两组材料(PEI-TCP、PEI-TCP-TaN)均能促进碱性磷酸酶分泌、细胞外基质矿化以及成骨相关基因(BMP-2、Runx-2、OCN、OPN)表达;而PEI-TaN对成骨活性影响较小。我们推测,仅因TaN具有更好的生物相容性级联促进了成骨分化。进一步的体外炎症实验发现掺入β-TCP后使得炎症反应增强。PEI-TCP组上调了CD11c、iNOS、TNF-α等促炎因子的表达,而沉积TaN的PEI-TaN和PEI-TCP-TaN组则抑制了促炎因子表达。这表明植入物外周的TaN涂层能够抑制炎症反应。最终通过动物实验证明PEI-TCP-TaN能够显著增强骨长入修复,TaN抑制炎症作用和β-TCP的促成骨作用协同实现了良好的骨整合。这一研究证明PEI-TCP-TaN是一种潜在有良好应用前景的骨植入材料,同时也为协调植入物炎症反应与促进成骨分化提供了一种可行的方案,更为重要的是本研究为充分利用3D打印植入物空间结构进行表界面改性实现复合功能化进行了一种有益的探索尝试。