作者：彭含宇，南方医科大学口腔医学院；李潇，南部战区总医院口腔科
成骨细胞在骨基质合成、分泌及矿化过程中发挥着关键作用，促进其在生物材料表面的良好附着是整个骨再生过程的重要环节。然而，用于临床的种植体材料几乎都存在生物活性差、缺乏骨诱导等缺点，与机体骨组织之间形成的主要为机械结合，难以促进成骨细胞黏附，因此需要对其进行表面改性以提高生物相容性。
纳米改性是表面改性中研究较为广泛的一种，处理后的表面具有亲水性好、表面粗糙度高、促进骨整合等优点。同时，纳米形貌在结构上和细胞外基质相似，可以模拟细胞生长的微环境，且进一步影响细胞的级联反应，激活下游的信号通路。本文围绕成骨细胞在纳米表面的黏附，深入探讨了常见纳米形貌及其表面修饰对成骨细胞黏附的影响，旨在为种植体表面纳米改性提供新思路。
1. 成骨细胞在纳米表面的黏附过程
成骨细胞的黏附是生物材料与宿主组织相互作用中最早的事件之一，也是细胞迁移、分化和增殖的前提。成骨细胞在植体表面的黏附包括早期的理化黏附和晚期的生物学黏附。在黏附过程中，种植体的表面形貌对细胞黏附有着重要的影响。
首先，血液中的细胞外基质蛋白(玻璃体连接蛋白和
FAs 不但参与细胞骨架和ECM 之间的机械传递，还是生化信号中枢，调控着黏附信号分子的相互作用。之后，成熟的FAs 可以通过直接方式(细胞骨架转导)和间接方式(影响蛋白质的级联)将特定地形的信号传导到细胞核并调节细胞行为。
2. 常见纳米形貌对成骨细胞黏附的影响
2.1 纳米管
纳米管的制备方法包括阳极氧化法、水热法等。大量研究证明，纳米管具有良好的物化特性，有利于成骨细胞的黏附和增殖。此外，纳米管不仅可以作为金属元素、分子或化合物的药物载体，还能刺激骨形成。纳米管对成骨细胞黏附的影响与管径大小密切相关，现有的研究表明，管径为50 nm和70 nm 均能促进成骨细胞黏附，具体表现为细胞显示出铺展的细胞骨架组织，形成更多的肌动蛋白细丝及纽蛋白表达增强。
蛋白质在细胞黏附过程中扮演着重要的角色，纽蛋白是焦点黏附体中含量最丰富的蛋白质，它作为一种细胞膜骨架蛋白，可以稳定FAs，促进整合素聚集。同时，有学者进一步比较了孔径分别为30、50、70、100 nm的TiO2纳米管，发现直径为30 nm 的TiO2纳米管刺激成骨细胞黏附率最高，而直径较大的纳米管刺激细胞黏附的数量较少。
一方面，可能是因为小的纳米管径更接近整合素头部的尺寸(20 nm 左右)，利于整合素聚集，而较大的纳米特征间距会减弱整合素与种植体表面的相互作用，不利于FAs 的形成。虽然目前并没有明确的证据表明FAs 形成所需的绝对尺寸，但是大多数研究认为，当纳米特征间距大于70 nm 时，会对FAs 形成产生干扰。
另一方面，可能是小管径的纳米管顶端的边缘曲率更大，表面电荷密度更高，利于在生理pH 值下某些带电蛋白质的吸附，具体机制在下文中进行了详细阐述。值得注意的是，不同的管径尺寸对细胞的增殖、分化也影响各异，因此，在设计研究方案时，不仅要考虑最有利于成骨细胞黏附的纳米管径大小，还需综合分析多重因素对细胞的影响，以实现良好的骨整合。
2.2 纳米孔
纳米孔的制备方法包括微弧氧化、阳极氧化及水热处理等。与其他纳米拓扑结构不同，多孔结构不仅可以为不同细胞和组织的生长提供必要的空间和环境，还能促进细胞外基质的形成、营养物质的运输以及神经和血管的生长，尤其是多尺度的孔状结构。
目前纳米孔被广泛应用于生物工程和医学，是一种十分有应用前景的纳米形貌。与此同时，纳米孔在成骨细胞黏附方面也有较好的表现。Guadarrama 等通过酸碱法得到了纳米多孔表面，平均孔径为20 nm 左右。与机械抛光组相比，成骨细胞(MC3T3-E1)在纳米多孔钛表面上不仅延伸出更多的丝状足、形成极小的纳米尺度的侧向突起，而且整合素α1、α5、αV 和β1 的表达增加，这种表达可能更利于FAs 形成。
此外，在纳米孔表面，踝蛋白基因有一种特殊的上调。该编码蛋白通过将整合素与F-肌动蛋白偶联，调节FAs 的构象。虽然目前纳米尺度表面特征的参数大小、几何形状和组织结构对细胞黏附的影响仍较有争议，但是，较为明确的是，有序或规则的纳米拓扑结构会破坏细胞骨架结构，具体表现为焦点接触的数量和面积显著减少，这也与Guadarrama 等的研究结果一致。
此外，有研究指出，与尺寸和长度相似的纳米管相比，纳米孔与材料基底的结合强度更大，稳定性更好，且成骨细胞(MC3T3-E1)在纳米孔组中的铺展面积更大、相同时间内贴壁数量也更多，这可能是因为纳米孔组较厚的孔壁能为细胞提供更多的附着位点。同时，纳米孔负载的抗菌肽可实现长达1 周的缓释，这提示纳米孔在药物负载方面也有较大的应用潜力。
2.3 其他纳米拓扑结构
除了以上两种较为典型的纳米形貌外，纳米拓扑结构还包括纳米棒、纳米凹槽、纳米片等常见凹凸形貌，制备方式与前面提到的两种形貌相似，可以通过喷砂、酸碱处理、微弧氧化、激光等方法制备。激光表面改性具有快速精准、高效可控的优点，能更好地构建某些特定的表面结构。
纳米拓扑结构可通过离子电荷间的引力、范德华力等对细胞黏附进行调控。Luo 等通过实验和理论相结合的方法对纳米平面、纳米凸面及纳米凹面之间力的演化进行了分析，发现纳米凸面产生的电场强度最强(大约是具有相同曲率纳米凹面的30 倍)。同时，边缘曲率大的材料表面有着更高的电荷密度，而在生理pH 值下，很多蛋白质都是带电的，并且某些蛋白质还具有独特的四极内部电荷分布，因此有着高电荷密度的材料表面可能会造成更高的蛋白黏附，进而影响细胞黏附。此外，在强电场环境还可能改变蛋白原有的构象，从而对其功能产生影响。
还有学者认为在一定曲率值范围内的纳米拓扑结构可以通过诱导局部膜曲率直接影响细胞内的信号和功能。值得注意的是，纳米形貌也会对黏附产生负面影响。研究表明，焦点黏附可能位于凸起结构的顶端，大于细胞尺寸的拓扑结构会使细胞陷入凹陷，进而导致细胞的变形，还可能造成细胞骨架的损伤，对肌动蛋白骨架和力传递产生干扰。这与大多数认为纳米形貌有助于成骨细胞黏附的观点不同。由此可见，纳米形貌对细胞黏附的作用是双向的，具体受纳米拓扑结构曲率大小、方向及尖峰距离等参数的影响，这也为今后构建更为合适的纳米拓扑结构提供了依据和参考。
3. 纳米形貌的表面修饰
3.1 锶
近年来，为了进一步实现改善纳米表面的生物活性，有学者尝试将人体中的微量元素作为表面改性成分。锶元素因具有促进成骨和抑制破骨的双重作用而受到广泛关注，并且可以和镁、银、锌等离子联合应用，越来越多的研究证实锶离子的存在可以显著削弱银离子的细胞毒性。
值得注意的是，锶元素不仅可以促进成骨，在细胞黏附方面也表面良好，许多研究已证实锶可以增强纳米管的亲水性，促进MC3T3-E1 细胞黏附，这可能是因为从种植体表面释放的锶离子可以使局部微环境的pH 值增加，并改变细胞跨膜蛋白的结构，从而使细胞更容易与吸附在锶表面的蛋白结合。然而材料表面吸附蛋白质的量主要还是取决于纳米形貌，关于锶元素促进成骨细胞黏附的具体机制还有待进一步探究。
总而言之，通过改变电解质成分将锶元素引入到纳米表面，不仅操作简便，还能使二者在促进细胞黏附方面起到协同作用，为之后细胞的增殖、分化奠定基础。
3.2 羟基磷灰石(hydroxyapatite，HAP)
HAP 是一种无机的富钙矿物，是天然骨和牙釉质的基本成分，因其良好的生物相容性、生物活性和骨结合性能，已成为重要的组织工程材料。研究表明，HAP 的极性表面主要是亲水性的，这有助于吸附重要的蛋白质，特别是通过离子和氢键。HAP 涂层中的钙和磷离子还可以为成骨细胞成熟提供必要物质和上调纽蛋白基因的表达，体内实验结果表明HAP 可以提高材料表面与周围骨组织的结合强度。
掺杂钙离子的纳米管还可能通过整合素依赖的ERK/ MAPK 信号通路来调节细胞的形状、黏附和分化。此外，还有研究发现在种植体表面构建纳米HAP 促进了能够上调整合素、FAK和Src 基因的微环境，FAK 和Src 都是构成FAs 的关键信号分子。
FAK 与p130Cas 和桩蛋白的磷酸化密切相关，Src 可通过其SH3 结构域与FAK、p130Cas 和桩蛋白的富含
值得注意的是，有一些研究表明纳米颗粒的脱落易引发组织炎症，这与Li 等的研究相悖，Li 等认为相互矛盾的结果可能归因于巨噬细胞在纳米颗粒和纳米棒图案表面上的黏附，而不是被摄取的纳米颗粒。此外，羟基磷灰石可以作为载体和吸附剂，实现药物的缓释，还可以与其他聚合物、金属、陶瓷结合，以增强其生物相容性和生物活性，并促进细胞黏附和生长。
3.3 RGD 多肽
RGD 是广泛存在于细胞外基质中的短肽序列，成骨细胞的α1β1、α5β1、ανβ5 等整合素都能和RGD 发生特异性结合。目前，许多新型种植体材料如聚醚醚酮、氧化锆存在生物惰性，缺乏功能有机基团，难以吸引血液中细胞和蛋白质的黏附，阻碍了临床应用。生物活性肽RGD 可作为一种表面修饰因子，改善植体表面的生物活性。研究表明，RGD 修饰纳米表面促进成骨细胞黏附的效果更佳，体外细胞结果显示，较之微米级表面，纳米级表面结构的成骨细胞铺展更好，与粗糙度相关的整合素亚基α1、α2 的表达更高。
Wang 等通过真空物理吸附的方法将RGD 负载于TiO2 纳米管，结果显示RGD 组明显促进了MC3T3-E1 细胞黏附。RGD 的负载方式有物理吸附、化学固定及层层自组装，后者可以不破坏材料表面的形态，还可以有效控制多肽厚度，此方法独特的优势，在表面修饰也有着广阔的应用前景。
4. 总 结
总而言之，促进细胞黏附的最终目的都是为了促进骨整合，提高种植体的稳定性和长期成功率。本文综述了常见纳米形貌对成骨细胞黏附的影响，并就其表面修饰进行了初步讨论。影响细胞黏附的因素是多方面的，纳米拓扑结构主要从理化和生物学的角度调控细胞黏附。纳米形貌不仅可以因其不同的粗糙度、电荷分布对蛋白吸附、细胞铺展等造成影响，还可以调控肌动蛋白等细胞骨架的功能性构建、FAs 的形成及由FAK、Scr 等分子介导的信号通路的激活等一系列过程。
随着材料学的发展，对种植体进行纳米改性和表面修饰是当前的研究热点，也是未来的发展趋势，不同纳米形貌对成骨细胞黏附的影响各异。各种生物活性物质在成骨细胞黏附方面也应用广泛，然而其中的分子机制仍需深入探索，为缺牙患者的种植修复提供更多的理论依据。
来源：彭含宇，李潇.种植体表面纳米形貌影响成骨细胞黏附的研究进展[J].口腔医学，2025，45(02):156-160.DOI:10.13591/j.cnki.kqyx.2025.02.014.
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