纳米拓扑结构钛表面纤维蛋白原功能化：表面理化特性表征及前成骨细胞响应研究

本研究针对钛(Ti)种植体表面功能化这一关键科学问题，通过纤维蛋白原(FG)涂层修饰纳米拓扑结构钛表面(Nano-Ti)，系统评估了FG/Nano-Ti的理化特性及其对前成骨细胞MC3T3-E1的调控作用。研究发现FG涂层(0.7 mg/cm2)在保留纳米孔隙结构的同时，显著提升表面粗糙度(Sa 0.20±0.02 μm)并改变润湿性(血液接触角降低40°)。生物学实验证实FG/Nano-Ti通过上调RUNX2等关键成骨标志物表达，使碱性磷酸酶(ALP)活性提高7-14倍，并促进矿化基质形成。该研究为优化种植体表面设计提供了新策略，其创新性在于首次证实FG涂层可协同纳米拓扑结构增强成骨分化，同时改善血液相容性。

　　

在口腔种植领域，钛及其合金作为"金标准"植入材料已应用数十年，但传统微米级粗糙表面仍存在骨整合效率不足的问题。近年来，通过化学蚀刻法制备的纳米多孔钛表面(Nano-Ti)展现出独特优势——其20nm级孔隙网络能显著促进成骨细胞分化，这归功于激活BMP-2、Wnt/β-catenin等多条信号通路。然而临床观察发现，Nano-Ti表面形成的血凝块存在分布不均现象，这可能影响早期愈合过程中的细胞迁移和组织再生。更棘手的是，血液在Nano-Ti表面呈现意外的高接触角(108°)，这种"疏血性"与常规认知中其优异的亲水性形成鲜明对比。

针对这些矛盾现象，由Ant?nio Secco Martorano领衔的圣保罗大学研究团队提出了创新解决方案：利用血浆中最丰富的凝血蛋白——纤维蛋白原(FG)进行表面修饰。FG不仅是凝血级联反应的核心成分，其通过αVβ3整合素激活成骨基因表达的特性更令人瞩目。研究人员设想，在保留Nano-Ti原有纳米拓扑结构的前提下，通过FG涂层能否实现"一石三鸟"：改善血液相容性、促进均匀凝血、同时增强成骨活性？

这项发表在《Aquaculture》的研究采用了多学科交叉的研究方法：通过BCA蛋白定量测定吸附量，场发射扫描电镜(FESEM)和开尔文探针力显微镜(KPFM)表征表面形貌，zeta电位分析检测表面化学性质，结合接触角仪评估润湿性。生物学实验采用MC3T3-E1前成骨细胞模型，通过实时荧光定量PCR、Western blot检测成骨标志物表达，Fast Red染色分析ALP活性，茜素红染色定量矿化程度。凝血功能评估则通过扫描电镜观察凝血酶诱导的纤维蛋白网络组装。

3.1 表面理化特性表征

BCA检测显示FG/Nano-Ti表面吸附量为0.7 mg/cm²，FESEM证实纳米孔隙被均匀分布的颗粒状物质部分填充，但微米级沟槽仍清晰可见。KPFM首次直观展示了80mV的表面电位差，证实了连续蛋白质层的形成。值得注意的是，zeta电位滴定曲线揭示FG/Nano-Ti的等电点(pI=5.5)与游离FG完全一致，表明吸附过程未引起蛋白质显著变性。润湿性实验出现"悖论式"结果：FG涂层使水接触角从24.87°升至66.07°，却使血液接触角从108°显著降至69°，这种选择性润湿转变暗示FG可能通过暴露特定功能域来调节生物流体相互作用。

3.2 生物学响应

细胞实验呈现明确的剂量-效应关系：虽然FG涂层未明显改变细胞增殖速率，但使Runx2 mRNA表达提升1.5倍，RUNX2蛋白表达激增7倍。这种转录调控的级联效应最终体现为ALP活性最高提升14倍，矿化面积增加40%。特别值得注意的是，OPG(骨保护素)的上调提示FG/Nano-Ti可能通过"双通路"调控骨改建——既促进成骨又抑制破骨。Western blot结果显示BSP(骨涎蛋白)和OC(骨钙素)等晚期标志物同步升高，证实FG加速了成骨细胞分化全过程。

3.3 纤维蛋白组装

当暴露于1IU凝血酶时，FG/Nano-Ti表面形成了独特的双层纤维网络：底层为致密纤维薄层，上层呈现典型的三维网状结构，完全覆盖整个表面。这与常规Nano-Ti上观察到的"斑片状"凝血形成鲜明对比。研究还发现3 mg/mL的FG浓度是实现均匀覆盖的临界值，低于此浓度会出现"秃斑"现象。

这项研究的突破性发现在于揭示了FG与纳米拓扑结构的协同作用机制：一方面，FG通过整合素信号通路(特别是αVβ3和α9β1)激活Runx2表达；另一方面，纳米孔隙结构为FG提供理想的锚定位点，使其保持生物活性构象。这种"物理-化学"双信号协同的策略，为设计新一代"智能"种植体表面提供了理论依据。从转化医学角度看，研究首次证实通过精确控制FG吸附量(0.7 mg/cm²)，可以同时优化材料的血液相容性和成骨活性，这对糖尿病、骨质疏松等愈合障碍患者的种植治疗具有特殊价值。

未来研究可进一步探索FG涂层在体内环境下的动态释放特性，以及其与宿主免疫系统的相互作用。特别值得关注的是，该技术采用的化学蚀刻法具有成本低廉、易于产业化的优势，这为其临床转化铺平了道路。正如通讯作者Paulo Tambasco de Oliveira教授强调的："我们的工作证明，有时候最有效的解决方案就隐藏在血液的基本成分中"。