临床应用上,钛植入体在植入体内后,通常会因为钛植入体与周围骨组织界面处的骨整合性差导致植入手术失败,通常的治疗手段需要取出植入体,进行二次植入手术。这种治疗方式不仅会给患者带来较大的经济负担,而且给患者带来极大的痛苦。钛合金与周围组织骨整合性差的主要原因是钛合金表面生物惰性,导致成骨细胞（MC3T3-E1）和骨髓间充质干细胞（MSCs）在植入体表面不确定和缓慢的分化。因此,诱导细胞在钛合金表面快速成骨分化是解决这一问题的有效手段。钛植入体表面构建智能化表面体系促进细胞的快速分化正成为指导细胞行为的有前途的策略。其中,微纳分级拓扑结构和电信号都可以诱导细胞成骨分化。微纳米分级拓扑结构是模仿细胞外基质的微纳米结构,给细胞提供了叠加的各向同性和各向异性的物理信号,该信号影响其表面的细胞形状,进而促进细胞成骨分化。电信号是细胞生活过程中的微环境的一个特点。合适的电信号也可以促进细胞成骨分化。两种信号均适用于体内的骨再生治疗。所以本论文通过表面微米有序纳米无序拓扑结构、以及表面光生电子在钛植入体周围产生的电信号微环境来分别促进MSCs在钛植入体表面快速成骨分化,提高其骨整合性能,促进受损骨组织修复及再生。本论文的研究内容具体包括以下三个部分:1:主要设计并且制备了有序的微米波纹结构和无序的纳米枝结构的图案结构,通过选择性激光熔覆在钛合金产生微米有序的波纹结构,碱热处理的方式获得无序的纳米枝结构,激光在钛合金表面产生的原位局部高温,激光处理后的区域产生了更多钛氧化物,使得激光处理后的区域比激光未处理的区域更难被KOH溶液腐蚀。在钛表面构造出微纳米拓扑结构。有序微米波纹结构给细胞提供了各向异性的信号,无序纳米枝结构给细胞提供了各向同性的信号。两种信号叠加展现出的合适的极化信号,促进细胞成骨分化。结果表明80 A的激光电流和2 M的KOH溶液处理后得到的结构具有最佳的成骨分化的效果。细胞首先利用细胞膜表面的integrinα5和integrinβ1来感知图案化后的钛表面的物理信号。其次,细胞中的肌动蛋白发生取向,细胞核继而发生取向。MSCs和MC3T3-E1分化为成骨细胞。Ti-LA-AT2表面可显着上调Runx2（一种调节骨形成的关键转录因子）,ALP（骨基质重塑过程的早期标记）,骨钙蛋白（Ocn,晚期标记基因,在胚胎成骨和骨重建过程中具有重要功能）和骨桥蛋白（Opn,一种典型的骨特异性细胞外基质蛋白）,从而显着促进骨再生。2:主要设计并且制备了硫化铋（BS）和羟基磷灰石（HAp）复合材料,通过水热的方式将BS沉积在钛合金表面,然后运用生物矿化通过静电结合将HAp沉积到BS表面。通过BS在钛合金表面的成膜情况和接触角确定了生成BS的最合适的反应条件,进一步通过近红外光电流的转化特性选出最优比例的BS/HAp复合结构。结果显示随着HAp含量的增加,BS/HAp的光电流先增加后减小。BS在近红外光（808 nm）的照射下,光生电子和空穴的产率较高,但是光生电子和空穴复合的太快,HAp中的磷酸根离子具有较好的容纳电子的能力,提高了BS的光生电子和空穴的分离效率,大大的提高了光生电子的产率。随着HAp的继续增加,BS被覆盖,影响了BS对近红外光的吸收,光生电子反而减小。进而,通过评估近红外产生的光生电子使得MSCs的细胞膜膜电位去极化和钙离子内流,初步论证了BS/HAp作为生物材料的可能。3:选取合适比例的BS/HAp复合材料作为研究体系,进行后续的体外细胞实验和体内动物实验,利用BS/HAp复合材料在近红外光（808 nm）的照射下产生光生电子,光生电子激活了MSCs细胞膜上的Na+通道,细胞膜电位去极化,细胞形状发生改变,细胞的铺展面积增大,黏附渗透能力增强,加速了细胞成骨分化的过程,进一步通过RNA测序的方式发现这个过程与细胞Wnt/Ca2+信号通路有关,钙离子流入并导致FDE1上调。此外,细胞核中的TCF/LEF开始转录以调节参与成骨分化的下游基因,进而促进成骨分化和骨再生。这项研究创造了一种全新的材料生物治疗策略,该策略可以通过使用近红外光调节体内植入体表面微电流环境来实现远程,精确,无创地原位控制细胞分化行为。