作者：海军军医大学附属长海医院骨科     白锦毅

生物金属材料在医学领域中的应用是备受关注的研究领域。生物金属材料作为植入物在骨科手术中使用广泛，例如在骨折固定、人工关节置换和植骨术等方面。然而在人体组织与生物金属材料的界面愈合过程中，既涉及生物组织与生物金属材料之间的相互作用，也涉及生物金属材料与人体内环境之间的相互作用。这种有机与无机的结合是界面愈合的关键环节，影响着生物金属材料在人体内的生物相容性和功能性。目前许多学者通过表面改性、生物活性涂层、生物活性修饰等手段，调控金属假体表面的生物相容性，以促进细胞的黏附和增殖，同时减少免疫炎症反应，实现更好的界面愈合效果。通过深入研究生物金属材料界面细胞黏附与免疫微环境调节的机制和影响因素，可以为生物金属材料界面愈合的优化设计和临床应用提供更多的理论支持和实践指导，促进生物金属材料在骨科领域的应用和发展。本文将围绕生物金属材料界面促进细胞黏附与免疫环境调节进展进行综述。

生物金属材料内植物界面优化促进细胞黏附

材料表面特性优化     植入生物金属材料的特性（如微观形貌、孔隙和粗糙度等）对细胞的黏附和生长有显著的影响。打磨、抛光、腐蚀等方案或手段很大程度改变生物金属材料表界面的粗糙度、拓扑结构和几何特征，提供更适合细胞生长的界面。目前许多研究表明，与光滑的生物金属材料相比，粗糙的表面可以增加细胞与材料的接触面积，便于细胞伪足与表面结合，从而提升细胞在材料表面的黏附和铺展能力。Anselme等的研究对比了成骨细胞在不同粗糙程度表面的钛合金形态、黏附和增殖情况，表明成骨细胞更愿意黏附在相对较高粗糙振幅和低重复水平的表面上。而在进一步研究中，Anselme等和Bigerelle等通过电解腐蚀的方法在Ti-6Al-4V表面（Ra=3~3.5µm），得到“碗状巢”。

研究结果指出，在低于细胞尺度的微观表面上，成骨细胞偏好光滑表面黏附；但大于细胞尺度考虑形貌时，粗糙的“碗状巢”表面更能影响成骨细胞的生物学行为。体外的细胞培养实验研究则说明：钛合金生物材料的表界面形貌影响骨组织的愈合，调控成骨细胞生长的表型。另有报道中研究成纤维细胞在不同沟脊宽度的钛合金表面黏附、增殖及分化的情况，薛宝宝等发现钛合金表面的不同沟渠宽度对成纤维细胞的排列、黏附和肌分化产生影响，并在体外细胞实验得出当脊宽为50µm时，细胞沿沟槽脊方向伸展、迁移趋势最好，且呈现向肌成纤维细胞分化的趋势，有利于成纤维细胞与钛合金表面的紧密贴合，从而提高钛合金植入物的经皮密封效果。这些研究一定程度表明，细胞的黏附状态是表界面的形貌和粗糙度的综合作用。以上均认为粗糙的表面更利于细胞黏附，但Huang等用碳化硅砂纸和Al2O3粉末处理金属表面，观察不同粗糙度表面的细胞黏附状态，发现Ra=0.3µm，Ra=1.20µm表面细胞的黏附情况不如Ra=0.15µm的光滑表面，得出了粗糙表面更倾向于细胞黏附相反的结论。Baharloo等研究不同粗糙度纯钛表面对上皮细胞的生长、铺展和黏附的影响，结果显示，粗糙钛表面降低了上皮细胞的生长和铺展；在光滑钛表面，上皮细胞具有更强大的黏附，能够形成更多和更大的黏着斑。Khang等研究血管内皮细胞和成骨细胞在纳米和亚微米的纯钛表面上的黏附行为。相较于光滑的纯钛表面，纳米和亚微米的表面结构在不改变表面化学的情况下能够显著改变材料的表面能，进而增加了内皮细胞和成骨细胞在亚微米和纳米纯钛表面结构上的选择性黏附。以上研究可以看出，界面的粗糙度、形貌等物理性质对细胞非特异性黏附有着重要的影响。

材料表面改性优化     作为生物金属材料表面改性的方法，在其表面构建合适的改性涂层，可以在保持金属耐腐蚀性能、力学性能不变的情况下对生物金属表面结构、表面成分、湿润性等予以调整，从而实现生物相容性的提升。魏艳萍等通过比较微弧氧化方法和耐磨涂层处理新研制的钛合金表面，发现微弧氧化组细胞附着高于其他组，且细胞骨架伸展良好，伴随少许细胞伪足，总体呈现不规则形态。Zhang等采用微弧氧化制备不同铜离子含量的二氧化钛涂层，发现一定铜掺杂量的二氧化钛涂层可促进细胞黏附和增殖及特异性蛋白合成，但同时应注意铜掺杂量过高会有较强的细胞毒性。Liu等在有低Young's模量的β型钛合金Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn表面，采用水热合成的化学转化方法，制备了纳米TiO2涂层，该涂层提高了钛合金表面的粗糙度，增加了表面亲和力，促进了细胞的黏附和增殖。刘帅发现，阳极氧化后的钛合金表面形成了纳米微管结构的TiO2，这种结构表面能够提高成骨细胞的黏附、增殖和分化能力，促进早期成骨，而且具有更好的内植物-骨组织界面稳定性。针对单涂层的生物惰性缺点，Wang等开始尝试复合涂层，在Ti基底喷砂处理的基础上进行了等离子体电解氧化，形成了多孔的、黏附性、含Ca和P的涂层，这种组合处理方式创造了有利的表面特性，还促进了羟基磷灰石在涂层上的形成，增强了细胞活力和黏附。四川华西团队设计了纳米羟基磷灰石/含氟磷灰石/二氧化钛逐步过渡涂层具有梯度功能活性，从而使成骨细胞在表面容易建立早期黏附，能够促进新骨的生长，提高骨结合强度。

近年来，学者们开始围绕仿生化涂层改性展开多方向研究，从而改善生物金属材料与软组织黏附性能。Vidal等通过钛结合钛和精氨酰-甘氨酰-天冬氨酸多肽因序列接枝丝素蛋白，从而构建双功能化涂层，增加了成纤维细胞和内皮细胞在钛表面的黏附强度和增殖能力。Yang等经碱热处理在钛表面构建聚多巴胺（以贻贝多巴胺为灵感的合成聚合物）涂层，研究结果显示，负载聚多巴胺的钛种植体周围能促进成纤维细胞的黏附、增殖和铺展，并增加了Ⅰ型胶原的分泌和纤维连接蛋白在钛表面的吸附，显著改善了钛种植体周围的软组织整合功能。另一个灵感来自虾、蟹等甲壳类动物的外壳——壳聚糖，在结构上与细胞外基质相似，对人体细胞有很强的亲和性。部分学者通过壳聚糖构建生物金属材料涂层促进生物相容性。但值得注意的是，壳聚糖具有细胞选择性，有研究表明，其对成骨细胞及骨细胞有很强的黏附能力，但对成纤维细胞的黏附能力较弱。部分学者尝试通过界面仿生修饰生物金属材料，直接或间接引入细胞可识别的生物活性分子（胶原、RGD多肽序列、生长因子等），从而使界面与相应细胞之间可建立特异的相互作用，实现特异性黏附。但同时存在如何将这些功能成分固定在人体内环境中，并且稳定发挥作用，是下一步研究需要解决的问题。目前的解决方案是以丝素蛋白、PDA等材料作为中间载体来联系生物金属材料和生物功能分子。

生物金属材料免疫微环境调节

生物金属材料在体内外的差异表现，使得学者越来越关注体内的免疫调节机制研究。生物金属材料植入人体后，免疫细胞首先会快速做出应答，并形成相应免疫微环境，从而介导炎症反应。相关研究者也争相研发具有免疫调节作用的生物金属材料，促进有益的和功能性的组织重塑反应，而不是持续的炎症和瘢痕组织的形成。目前，生物金属材料表面修饰控制性激活巨噬细胞并调节其表型已成为一种关键的治疗策略。

微/纳米结构促进免疫调节     大量研究表明，生物医用材料表面的物理或化学特性可以调节细胞的生物学行为。Bai等在Ti种植体表面制备微纳米（MNS）尺度的二氧化钛纤维样仿生结构网络，体外实验表明，MNS不仅能够促进骨髓基质细胞和内皮细胞的成骨分化和血管分化，而且可抑制M1巨噬细胞MΦs并刺激促愈合的M2表型，从而使炎症相关细胞信号通路下调。受MNS调控的骨免疫微环境可通过多种信号通路的串接以进一步促进骨/血管的生成；体内实验结果表明，与纳米尺度（NS）和原始Ti种植体相比，MNS可诱导实现改善的骨整合。Liu等通过碱热处理、离子交换和随后的热处理，在Ti植入体表面构建微/纳米结构，并在实验中表明，微/纳米结构钛表面能够使巨噬细胞极化为M2表型，并增强巨噬细胞中成骨生长因子的基因表达，具有符合微/纳米结构特征的钛表面显示更强的抗炎和成骨免疫调节效应。Zhang等的研究结果显示，粗糙度对巨噬细胞黏附的影响并不显著，而HA涂层的存在显著增加了巨噬细胞的黏附。低和中等粗糙度（即Ra=0.51~1.36μm；Sa=0.66~2.91μm）有利于将巨噬细胞极化为M2表型，而HA涂层的存在导致了M1和M2巨噬细胞的极化。这些发现证明了巨噬细胞对植入物的极化反应受到界面的物理和化学特性的显著影响。

Abaricia等重点研究中性粒细胞，发现与光滑和粗糙的钛表面相比，亲水性粗糙钛表面上的中性粒细胞减少了促炎细胞因子和酶的产生，并减少了NET的形成。这表明中性粒细胞对植入物表面的物理和化学特性敏感，并根据钛表面的结构表现出不同的激活状态；同时中性粒细胞产生的条件培养基（CM）对巨噬细胞的极化有显著影响。来自光滑钛表面的中性粒细胞的CM增强了巨噬细胞的促炎极化，而中性粒细胞外陷阱NETosis抑制剂的预处理减弱了这种效应。这表明NETosis可能是增强植入物整合的潜在治疗靶点。尽管研究之间存在显著的异质性，但处理生物金属材料表面增加了表面粗糙度或亲水性，从而增加了巨噬细胞的附着，减少了细胞的扩散。生物金属材料表面的物理涂层也倾向于促进细胞簇的形成。具有微米或纳米级粗糙表面拓扑结构和亲水性表面化学的钛和钛锆合金是诱导附着巨噬细胞产生抗炎表型最有效的表面，这通过显著的细胞因子基因表达和/或细胞因子分泌谱的变化得到证明。

界面成分诱导免疫调节      掺入特定元素和在植入金属材料表面负载生物活性分子等方法改变界面成分是目前常用实现成骨免疫调节的方法。He等通过水热处理在钛表面构建了具有纳米片层结构的Mg（OH）2薄膜；体外培养骨髓来源巨噬细胞的结果表明，纳米Mg（OH）2薄膜更有利于巨噬细胞向利于组织愈合的M2表型极化，具有协调早期炎症反应以及随后改善的成骨和血管生成。Chen等在Ti表面构建含Zn的TiO2纳米管，发现二价锌可激活巨噬细胞免疫调节功能，使M2型巨噬细胞的基因和蛋白表达上调，而M1极化受抑，创造成骨微环境，从而促成骨。在钛基底上引入了3种最广泛使用的过渡金属元素铜、锌和银，Chen等通过等离子体浸没离子注入方法以研究过渡金属元素在免疫反应中的规律。结果显示，与钛样品相比，植入样品可以降低炎症反应；机制主要是通过促进巨噬细胞向M2型极化，表现出较好的抗炎效果，巨噬细胞还可以通过PGE2的旁分泌作用上调cAMP的基因表达水平，增加BMSCs干细胞的成骨分化。Shen等利用米诺环素（Mino），通过旋涂辅助的逐层组装技术（LBL）在钛上制备了具有潜在成骨诱导能力的多层结构（Ti/LBL/Mino），与对照组（Ti）相比显著改善了MSCs的成骨分化，流式细胞术、定量实时聚合酶链反应和免疫印迹验证了Ti/LBL/Mino基底可以通过调节巨噬细胞间接促进成骨，例如从M1向M2的表型转化和调节炎症/成骨基因。为了调节骨质疏松条件下的免疫微环境并增强骨愈合，Wang等通过微弧氧化和电化学沉积技术，在钛植入物表面制备了掺锶纳米结构，随后通过逐层LBL添加了含有基于丝蛋白的黄芩素纳米颗粒的多层涂层（Ti-MAO/Sr/LBLWNP）；研究发现Ti-MAO/Sr/LBLWNP可以持续释放黄芩素和Sr2+，并促进M2巨噬细胞抗炎因子（TGF-β1、Arg-1）的表达水平，通过旁分泌信号改善成骨细胞的增殖和成骨分化。

小结与展望

综上所述，生物金属材料的生物相容性是一个复杂的生物学过程。生物金属材料界面特性不仅直接影响细胞的黏附，也可以间接免疫调节，调节巨噬细胞、中性粒细胞及相应细胞因子参与组织的修复与再生。细胞黏附和免疫调节相互交叉影响，且存在一定的时间与空间的联系。单一方面的提升很难长期有效满足实际需求，研究者们需要在生物金属材料的力学性能和生物相容性之间达到最佳的平衡状态。同时如何提高生物金属材料界面的长期稳定性仍是本领域需要进一步探索与研究的问题。

来源：中国矫形外科杂志2026年4月第34卷第7期