理想的骨科植入材料应具有适度的免疫调节、抗菌和促进骨组织修复的能力。钛及其合金由于其良好的生物相容性和力学性能被广泛应用于牙科和骨科等硬组织替代材料领域。但是由于钛是生物惰性材料,没有生物活性,材料植入后不能与周围组织形成有效的骨性键合,会引起植入体周围组织的炎症响应。此外,钛种植体不具有抑菌能力,植入后存在感染的风险。因此,选择适当的方法对钛植入体进行表面改性以实现炎症调节、抗感染从而促进骨组织修复,提高材料植入的成功率。本论文选用凝胶层作为药物缓释载体修饰氧化钛纳米管表面,装载抑炎因子白介素4(IL-4)、RGD多肽和同时装载上述两种因子调控巨噬细胞的炎症表达。并探究了在材料表面巨噬细胞炎症调节作用下的成骨能力。此外,在多孔钛中装载抗菌剂银,提高其缓释性,增强多孔钛的长效抗菌能力。本工作基于促进组织修复,从炎症调节、免疫成骨和抗菌三个方面开展钛表面改性研究,为功能化钛植入体的产品研发奠定理论和技术基础。首先通过阳极氧化方法在钛表面构建二氧化钛纳米管,再在氧化钛纳米管上制备双层凝胶层。内层凝胶层相比于外层凝胶层具有易溶胀、降解能力强等特点。因此,内层凝胶层被用于装载抑炎因子IL-4,外层凝胶层用于延缓内层凝胶层中IL-4的释放。释放行为表明,当没有外层凝胶时,IL-4在前三天有明显的突释,释放量达到了72.5%。当加载了外层致密凝胶层后,前三天的药物突释明显地被抑制,前三天释放量控制在了12.5%。随后的释放量随着时间延长而增加。由此,基于凝胶的理化性能与IL-4的空间分布,实现了IL-4的程序化释放。在仿生理条件下评价含IL-4的双层凝胶层中,IL-4的阶段性释放行为对巨噬细胞极化的调节能力。在前3天的培养基中添加脂多糖(LPS)和干扰素-γ(IFN-γ)促炎因子,形成炎性微环境。研究了巨噬细胞在该材料上的形貌变化及表型变化,发现巨噬细胞在所有材料表面都有一定的激活,在含有IL-4的材料表面的巨噬细胞部分转变为多核异物巨细胞。通过细胞流式(FACS)分析、酶联免疫吸附测定(ELISA)和相关炎性基因表达检测(PCR)表明,3天时,在炎性微环境,M1型巨噬细胞炎性因子分泌量显著性地增加,实现了巨噬细胞由M0型向M1型的诱导。7天后,抑炎因子的表达量在含有IL-4的材料上显著升高。结果表明,巨噬细胞在载药双层凝胶改性表面,表现出由M1型巨噬细胞向M2型巨噬细胞方向极化的特点。说明通过双层凝胶层控制释放的IL-4,能够调节巨噬细胞的表型变化,从而实现微环境由促炎状态向抑炎状态的转化。为了进一步优化上述双层凝胶层,在钛表面设计了分层装载IL-4和RGD双因子,优化材料设计后通过多巴胺修饰氧化钛纳米管,用于固定IL-4,而后通过凝胶层装载RGD多肽。体外实验结果表明,RGD和IL-4均有助于巨噬细胞的极化,在RGD的作用下巨噬细胞会形成丝状伪足,IL-4的作用下巨噬细胞会形成板状伪足,RGD和IL-4的共同作用下细胞既有板状伪足也有丝状伪足。巨噬细胞的形貌和它的极化状态与其功能有直接的联系。结合基因表达分析表明,接种在装载了IL-4和RGD样品上的细胞在M2型巨噬细胞的特征基因上有显著性的高表达。由此说明在具有特定空间分布的RGD和IL-4共同作用下,巨噬细胞更容易向促修复的M2型巨噬细胞方向极化。通过间接式接触共培养模型,探究氧化钛纳米管上,分层装载双因子(IL-4和RGD)后对免疫成骨能力的调节。首先考察了巨噬细胞在材料的作用下对间充质干细胞(MSCs)成骨分化的影响。结果表明,巨噬细胞接种在含有双因子的材料表面,形成了有助于MSCs成骨分化的骨免疫微环境;通过材料诱导干细胞的研究结果表明,装载RGD的材料表面,更有利于干细胞的粘附和成骨方向的分化;在双因子(IL-4和RGD)的叠加作用下,协同增强了MSCs的成骨分化能力。并且,通过成骨相关基因分析表明,在分布双重因子的材料表面,MSCs通过BMP/SMAD/RUNX2的信号通路促进其向成骨方向分化。为了提高多孔钛的抗菌能力,采用粉末烧结法制备孔径范围在10-400μm之间的多孔钛,再通过微弧氧化法构建微纳结构层,以提高其表面活性。选用明胶微球装载抗菌剂银并载入多孔钛中,随着明胶微球的溶胀、降解和离子的扩散作用,银逐渐从明胶微球中释放,从而实现多孔钛的长效抗菌能力。结果表明含银明胶微球中,银以单质形式不仅存在于明胶微球的表面,而且也分布于明胶微球内部。体外研究证实,以明胶微球装载银的且具有微纳结构的多孔钛支架,不仅具有良好的生物相容性,且具有优良的抗菌性能。