骨关节疾病是影响人类健康的主要因素之一。为了改善关节功能、提高患者的生活质量，采用人工关节置换术是常用的治疗手段。目前，在临床上广泛使用的髋关节等人工关节多是钛合金等金属材质，依照人体关节的构造、形状和功能制作而成。人工关节置换手术后常由于关节磨损的磨屑、应力遮挡和骨关节界面结合不佳等情况，导致植入假体的失败。因此，研究新一代植入材料，增强骨组织与植入假体相互作用，对有效防止假体松动、促进人工假体的长期稳定具有重要意义。
上海交通大学材料科学与工程学院张小农课题组在医用钛材料上制备了一种新型多孔纳米晶体的表面结构特征，并与该校附属第六人民医院的蒋垚等骨科研究人员一起通过体外实验，研究了成骨细胞在纳米钛合金表面的生物学特性，分别通过荧光显微镜、扫描电镜及RT-PCR分析等，观察成骨细胞在不同材料表面的黏附生长情况。研究结果显示：与普通钛合金相比，纳米表面钛合金能够促进成骨细胞的黏附作用，促进成骨紧密贴壁和早期融合，并可有效减少或延缓假体松动。
该研究成果为将纳米技术应用到人工关节等植入器械领域提供了新的方向，相关论文发表在2008年第1期《科学通报》上。
“人工关节是指根据人体关节的构造、形状与功能而设计的人造关节，用来取代人体受损或病变的关节。”张小农介绍说，“现在临床使用的人工关节大多是使用钛合金等材料制作而成，国外也有厂家在金属材质的人工髋关节上添加生物陶瓷涂层来增强骨长入效果，延长假体使用寿命。但是，长期使用后，由于磨损产生的碎屑引起的骨溶解和吸收，以及涂层与假体的分离等问题，致使人工关节松动的问题一直没有得到根本解决。”
张小农指出，细胞黏附是成骨细胞和植入材料接触的第一步，它将直接影响成骨细胞在假体表面的增殖、分化和钙化以及随后的人工假体与周围骨组织之间的骨整合。
张小农课题组通过对钛合金进行塑性变形和化学处理，导致原本光滑的表面转换为一种类似多孔结构的粗糙表面，其组成的晶粒则为纳米量级。这种多孔纳米表面钛合金，不仅比普通光滑表面的粗糙程度大大增加，提供了更多的面积；而且，纳米表面的电化学性质发生了变化，从而大大增强成骨细胞与植入材料的黏附。另外，纳米材料相对普通材料表面具有更多的晶界，合金的晶界具有更活泼的表面性质，可以影响初期蛋白质的相互作用，介导随后的细胞黏附，这也有助于改善成骨细胞的功能。
“我们在实验中将新生乳鼠头盖骨中的成骨细胞分别种植于纳米钛合金表面和普通钛合金表面进行体外细胞培养，实验结果充分验证了上述结论。”张小农说，“如果这项技术能够真正形成产品，人工关节的使用寿命估计可以大大延长。”
由于科研经费的制约，课题组目前还只是制备了小块的纳米钛合金来植入新西兰兔体内进行观察，还无法制作完整的纳米人工关节用在动物或人体上进行关节置换手术。张小农告诉记者，他们希望在下一步研究中能够与相关医疗器械厂家进行合作，以期让这项研究成果早日投入临床应用，造福广大患者。
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