钛及钛合金已经成为骨科及牙科领域中应用广泛的植入金属材料。随着全球人口老龄化的发展以及科学技术的不断进步,人们对钛植入物的性能提出了更高的要求。因此,解决钛植入物所面临的骨整合不足以及细菌感染等临床难题,保障植入物的长效使用寿命,是实现我国植入医疗器械创新发展的一个重要机遇。本文选择所在课题组开发的自身具有抗菌、促成骨及促血管生成等生物功能的新型钛铜（Ti-Cu）合金作为研究对象,通过对其进行表面粗糙化处理,系统和深入研究粗糙表面Ti-Cu合金的体外及体内抗菌与促成骨协同作用及相关机制,为生物功能化Ti-Cu合金的应用与发展奠定科学基础。本文开展的主要研究工作及得到的主要结论如下:1、采用大颗粒喷砂+酸蚀（SLA）工艺对Ti-Cu合金进行表面粗糙化处理,获得与临床钛植入物表面粗糙度值相近的粗糙表面Ti-Cu合金,Sa值为2.06 μm。通过扫描电镜、能谱分析、开尔文探针力显微镜等微观分析方法,研究并阐明了Ti-Cu合金粗糙表面形貌的形成机制。研究结果表明,在Ti-Cu合金中,Ti2Cu相的电势低于α-Ti相,因此Ti2Cu相在SLA处理过程中优先溶解,使粗糙表面Ti-Cu合金的表面形貌具有随Ti2Cu相分布的特征。此外,体外实验结果证实,表面粗糙处理能够同时提高Ti-Cu合金的抗菌与促成骨作用。2、通过控制SLA工艺参数,分别在医用纯Ti以及Ti-Cu合金表面制备出一系列具有不同微米/亚微米/纳米多级结构的粗糙表面,即Sa:0.02 μm（Ti-P、TiCu-P）＜0.70μm（Ti-Ⅰ、TiCu-Ⅰ）＜1.70μm（Ti-Ⅱ、TiCu-Ⅱ）＜2.70 μm（Ti-Ⅲ、TiCu-Ⅲ）。通过表面形貌、表面能、表面电荷、表面成分、氧化层结构、Cu离子释放行为的演变规律等分析与研究,旨在探索粗糙表面Ti-Cu合金的抗菌与促成骨协同作用机制。研究结果表明,一方面,粗糙表面上的亚微米结构能够诱导细菌黏附;而另一方面,SLA处理改变了 Ti-Cu合金的表面氧化层结构,导致纳米级CuO颗粒掺杂于最外层氧化物中,从而赋予粗糙表面Ti-Cu合金“诱捕杀菌”的功能,有效地抑制了金黄色葡萄球菌（S.aureus）生物膜的形成。此外,粗糙表面还改变了 Ti-Cu合金的腐蚀行为,由自钝化行为转变为活化-钝化行为,加快了Cu离子的释放速度,进而能够促进小鼠胚胎成骨细胞前体细胞（MC3T3-E1）的骨相关基因的表达,促进细胞成骨矿化。其中,TiCu-Ⅲ表面具有最佳的抗菌与促成骨协同作用。3、采用自发光金黄色葡萄球菌（Xen29）和临床分离的S.aureus菌株分别构建了 C57BL/6小鼠胫骨骨髓炎（IAOM）模型,通过对植入物周围的骨组织形态学观察以及细菌负荷分析,进一步研究了粗糙表面Ti-Cu合金在动物体内的抗感染与骨整合作用。研究结果表明,在“诱捕杀菌”与早期Cu离子快速释放的共同影响下,不同粗糙表面Ti-Cu植入物均能够有效抑制骨髓炎的发生,还能够调控骨形成与骨吸收的平衡状态。在植入7天后,不同粗糙表面Ti-Cu植入物周围均形成连续的新骨组织,并构成环状骨隧道,加速了骨重建过程。粗糙表面Ti-Cu植入物在感染动物体内亦能够发挥出色的抗感染与骨整合的协同作用。4、选择温暖、湿润、开放的口腔环境作为代表生理环境,通过经典缠线结扎配合富含蔗糖的食物饲养,旨在利用比格犬口腔天然细菌构建真实的感染环境,并采用16S rRNA基因测序及宏基因组测序技术,探究粗糙表面Ti-Cu牙种植体的抗感染能力及其相关机制。研究结果发现,粗糙表面Ti-Cu种植体有利于菌斑微生物通过有氧呼吸进行糖代谢,有效抑制了菌斑生态环境的酸化倾向,保证了菌斑中有氧菌和厌氧菌的物种平衡,进而可保持粗糙表面Ti-Cu种植体周围组织的健康。本文研究结果揭示了粗糙表面Ti-Cu种植体的抗感染作用与口腔微生物群落组成之间的联系,打破了“含铜金属材料单纯杀死细菌”的传统观念,为新型抗菌植入材料的研究提供了新的科学依据与研究范本。