目的:钛合金因良好的生物相容性和力学性能,被广泛用于临床骨修复。然而,钛合金属于生物惰性材料,缺乏骨诱导性,在植入机体后不能与周围组织形成有效的骨性键合,易导致钛植入体松动、移位。其次,钛合金在体内耐腐蚀性较差,易导致钛植入体内部有毒金属离子的释放,因此对钛植入体表面进行改性增强其成骨性能和耐腐蚀性具有重要意义。方法:(1)利用溶胶凝胶法(Sol-Gel)在钛片表面制备钽/镁涂层(Ti-Ta-Mg),以钽涂层(Ti-Ta)、钛片(Ti)、钽片(Ta)作为对照;采用原子力显微镜(AFM)、扫描电镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、X射线光电子能谱分析仪(XPS)对涂层形貌、成分、厚度进行表征;采用接触角测试系统评估涂层表面亲水性;采用电化学方法评估涂层表面耐腐蚀性。(2)将兔骨髓间充质干细胞(rBMSCs)与材料共培养,检测细胞在材料表面的黏附形态、增殖、成骨分化、基质矿化及成骨相关基因的表达情况。(3)采用3D打印技术制备孔径600μm、孔隙率70%、各孔隙互通的多孔钛支架(PTi),并利用上述相同方法在多孔钛支架表面制备钽/镁涂层(PTi-Ta-Mg),利用SEM、EDS对多孔支架表面涂层形貌、成分进行表征;将rBMSCs与多孔支架共培养,检测细胞在多孔支架表面的黏附形态、增殖、成骨分化、基质矿化及成骨相关基因的表达情况。(4)构建新西兰大白兔股骨髁骨缺损模型,将多孔支架植入骨缺损处,通过影像学、组织学检查评估骨组织修复情况。结果:(1)AFM检测结果显示涂层未改变钛片表面粗糙度(P>0.05);SEM、EDS结果显示Ti-Ta-Mg、Ti-Ta涂层结构完整,未见裂纹产生,且均匀分布着大量纳米颗粒;接触角测试结果显示Ti-Ta-Mg、Ti-Ta涂层表面接触角大小相近(P>0.05),但较Ti、Ta表面明显减小(P<0.05);电化学测试结果显示Ti-Ta-Mg、Ti-Ta涂层增强了钛片表面的耐腐蚀性。(2)相比于Ti-Ta,Ti、Ta表面,rBMSCs在Ti-Ta-Mg表面的早期黏附形态更佳,促rBMSCs增殖效果更强(P<0.05);ALP染色和定量、茜素红S染色结果显示Ti-Ta-Mg更能促进rBMSCs向成骨方向分化及基质矿化(P<0.05);荧光定量PCR(q-PCR)结果显示成骨相关基因Runx2、ALP、OCN、OPN在Ti-Ta-Mg表面的表达水平最高(P<0.05),Ti-Ta表面其次(P<0.05)。(3)SEM 结果显示 PTi-Ta-Mg、PTi-Ta、PTi 三种多孔支架表面形貌相似;EDS在PTi-Ta-Mg支架表面同时检测到Ta、Mg元素,在PTi-Ta支架表面检测到Ta元素;鬼笔环肽染色结果显示rBMSCs在PTi-Ta-Mg支架表面的黏附铺展形态优于PTi-Ta、PTi支架;活/死细胞染色检测结果显示三种多孔支架均具有良好的生物相容性;相比于PTi-Ta、PTi支架,PTi-Ta-Mg支架更能促进rBMSCs增殖、成骨分化及成骨相关基因的表达(P<0.05)。(4)术后动物恢复良好,3个月内无动物死亡;植入支架固定在位,未见脱落,支架周围组织未见炎性反应;X线检查结果显示各多孔支架周围未见骨折和骨质吸收发生,随着植入时间的延长,支架内部透光度逐渐减低,以PTi-Ta-Mg支架降低最明显;显微CT扫描结果显示新生骨组织由支架外周向支架中心迁延,新生骨组织体积定量结果显示PTi-Ta-Mg支架在4、8、12周的骨体积均大于PTi-Ta、PTi支架(P<0.05);新骨组织荧光标记和组织学检查结果显示术后4、8、12周,PTi-Ta-Mg支架内荧光分布面积和新骨生成面积也大于PTi-Ta、PTi支架(P<0.05),且新骨组织主要集中在支架与周围组织的交汇区域。结论:本研究利用溶胶凝胶法成功在钛植入体表面制备了钽/镁功能涂层,涂层与钛基底结合紧密,无裂纹产生。体内外实验结果表明钽/镁元素的加入增强了钛植入体的成骨性能,同时还提高了钛植入体的耐腐蚀性。本研究采用的涂层制备方法简单易行,具有较好的临床应用前景。