骨關節疾病是影響人類健康的主要因素之一。為了改善關節功能、提高患者的生活質量，采用人工關節置換術是常用的治療手段。目前，在臨床上廣泛使用的髖關節等人工關節多是鈦合金等金屬材質，依照人體關節的構造、形狀和功能制作而成。人工關節置換手術后常由于關節磨損的磨屑、應力遮擋和骨關節界面結合不佳等情況，導致植入假體的失敗。因此，研究新一代植入材料，增強骨組織與植入假體相互作用，對有效防止假體松動、促進人工假體的長期穩定具有重要意義。

上海交通大學材料科學與工程學院張小農課題組在醫用鈦材料上制備了一種新型多孔納米晶體的表面結構特征，并與該校附屬第六人民醫院的蔣垚等骨科研究人員一起通過體外實驗，研究了成骨細胞在納米鈦合金表面的生物學特性，分別通過熒光顯微鏡、掃描電鏡及RT-PCR分析等，觀察成骨細胞在不同材料表面的黏附生長情況。研究結果顯示：與普通鈦合金相比，納米表面鈦合金能夠促進成骨細胞的黏附作用，促進成骨緊密貼壁和早期融合，并可有效減少或延緩假體松動。

該研究成果為將納米技術應用到人工關節等植入器械領域提供了新的方向，相關論文發表在2008年第1期《科學通報》上。

“人工關節是指根據人體關節的構造、形狀與功能而設計的人造關節，用來取代人體受損或病變的關節。”張小農介紹說，“現在臨床使用的人工關節大多是使用鈦合金等材料制作而成，國外也有廠家在金屬材質的人工髖關節上添加生物陶瓷涂層來增強骨長入效果，延長假體使用壽命。但是，長期使用后，由于磨損產生的碎屑引起的骨溶解和吸收，以及涂層與假體的分離等問題，致使人工關節松動的問題一直沒有得到根本解決。”

張小農指出，細胞黏附是成骨細胞和植入材料接觸的第一步，它將直接影響成骨細胞在假體表面的增殖、分化和鈣化以及隨后的人工假體與周圍骨組織之間的骨整合。

張小農課題組通過對鈦合金進行塑性變形和化學處理，導致原本光滑的表面轉換為一種類似多孔結構的粗糙表面，其組成的晶粒則為納米量級。這種多孔納米表面鈦合金，不僅比普通光滑表面的粗糙程度大大增加，提供了更多的面積；而且，納米表面的電化學性質發生了變化，從而大大增強成骨細胞與植入材料的黏附。另外，納米材料相對普通材料表面具有更多的晶界，合金的晶界具有更活潑的表面性質，可以影響初期蛋白質的相互作用，介導隨后的細胞黏附，這也有助于改善成骨細胞的功能。

“我們在實驗中將新生乳鼠頭蓋骨中的成骨細胞分別種植于納米鈦合金表面和普通鈦合金表面進行體外細胞培養，實驗結果充分驗證了上述結論。”張小農說，“如果這項技術能夠真正形成產品，人工關節的使用壽命估計可以大大延長。”

由于科研經費的制約，課題組目前還只是制備了小塊的納米鈦合金來植入新西蘭兔體內進行觀察，還無法制作完整的納米人工關節用在動物或人體上進行關節置換手術。張小農告訴記者，他們希望在下一步研究中能夠與相關醫療器械廠家進行合作，以期讓這項研究成果早日投入臨床應用，造福廣大患者。