骨科植入手术难度大，愈合周期长且二次手术比例高，为减轻患者的经济和身体负担，更优植入物材料的研究从未停止。纯钛由于良好的生物相容性而被广泛应用于临床植入物，但因为缺乏生物活性，且力学强度低，而限制了其在承重条件下的使用。掺杂合金元素能显著提高钛的力学性能，然而合金元素（比如矾和铝）会造成严重的健康问题。因此，亟须研发一种生物活性高且力学性能优良的纯钛植入材料。

在四川大学张兴栋院士的指导下，黄崇湘教授、聂宇研究员和澳大利亚斯威本科技大学孙成华教授展示了一种仿生天然骨中胶原-羟基磷灰石定向排列的具有多级结构的高强高韧纯钛（fibrous-grained titanium，FG Ti）。这种新型FG Ti的多级结构由等轴纳米晶和超细纤维晶基体构成，晶粒高度定向为(0002)晶面平行样品于表面，实现了优异的强度塑性协同，同时形成了独特的材料表面拓扑结构和厚度约为5nm的亲水的锐钛矿型二氧化钛，极大的提高了表面亲水性，促进骨细胞产生接触诱导，利于生物矿化，从而实现快速骨愈合。FG Ti的抗拉强度高达950 MPa，伸长率高达14.6%，拉伸力学性能优于标准Ti6Al4V合金。FG Ti的骨愈合周期缩短至三周，为粗晶钛和标准Ti6Al4V合金的三分之一。

四川大学为该论文第一完成单位，空天科学与工程学院黄崇湘教授、生物医学工程学院聂宇研究员和澳大利亚斯威本科技大学孙成华教授为共同通讯作者，我校生物医学工程学院2019级博士研究生王若涵和空天空天科学与工程学院2019级博士研究生王明赛为共同第一作者。

图1. FG Ti的显微结构

图2. FG Ti的单轴拉伸应力应变曲线

图3. FG Ti植入物体内骨整合效果评价

FG Ti植入体在手术后各个时间点相较于粗晶钛和钛合金周围能生成更多的新生骨组织（micro-CT检测），具有更高的骨组织结合强度（扭矩测试）。术后12周的骨-植入接触参数（bone-implant contact，BIC）已达到对照组的2倍，其骨整合性能已超过部分具有生物活性分子涂层的钛植入体。综合各类骨整合参数FG Ti植入物3周的骨整合效果已与商用钛类材料对照组12周的效果相当，大大缩短了骨整合时间和提升了骨整合效果。

图4. FG Ti促成骨效果探究（成骨细胞接触诱导、定向贴附和运动、促成骨基因表达等）

成骨细胞在FG Ti上能定向黏附并定向迁移运动，迁移时间、速度和距离均成倍增加；同时FG Ti植入体上的细胞中成骨相关基因的表达较粗晶钛也有显著提升。

图5. FG Ti锐钛矿型TiO2高分辨TEM表征。

图6. FG Ti表面生物矿化的计算机模拟

与粗晶钛表面形成的金红石型二氧化钛不同，FG Ti上会形成锐钛矿型的二氧化钛，表面更加亲水，增强了与钙离子和磷酸根离子的结合，加速了生物矿化。同时已有文献证明在三种不同的二氧化钛构型中，锐钛矿最能加速的生物矿化和细胞增殖，因为它的晶格很好地匹配羟基磷灰石，而且有更高密度的表面羟基，提供了生物活性。

事实上，这是首次在金属植入物实现表面自拓扑结构设计，并创新性地提出了植入物表面晶体学调控的理念。这种微结构理念对设计新型高性能金属生物材料具有重要的指导意义。

论文信息：

High Strength Titanium with Fibrous Grain for Advanced Bone Regeneration

Ruohan Wang, Mingsai Wang, Rongrong Jin, Yanfei Wang, Min Yi, Qinye Li, Juan Li, Kai Zhang, Chenghua Sun*, Yu Nie*, Chongxiang Huang*, Antonios G. Mikos, Xingdong Zhang

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202207698