针对上述问题，复旦大学材料系梁子骐教授团队与海军军医大学附属长征医院徐辰、刘洋教授团队、复旦大学口腔医院吴海苗、陈栋主任团队合作联合开发了基于（3-氨丙基）三乙氧基硅烷（APTES）的牙植体表面改性技术。通过溶液浸涂法在钛种植体表面构建化学交联且稳定的硅氧烷涂层，形成光滑且亲水的功能层。改性种植体植入兔颌骨后骨结合率显著优于对照组，且能有效抑制复合菌群感染，成功克服现有种植体改性策略无法兼顾骨结合与抗菌之间固有的矛盾。该技术工艺简便且与现有种植体产线兼容，为提升种植成功率并降低后期植体边缘骨吸收提供有效策略。相关研究在2025年6月18日以《Facile silane modification of titanium dental implants achieves a consensus of osseointegration and antibacterial activity》为题发表于《Cell Reports Physical Science》（DOI：10.1016/j.xcrp.2025.102625）。

涂层制备工艺及课题思路

（1）氨基硅烷的化学接枝与表面表征

通过砂磨酸蚀（SLA）、UV/碱处理及APTES溶液浸涂三步法，在钛片表面构建了化学稳定的Si−O−Ti共价交联网络。水接触角（WCA）测试显示，原始钛片为疏水性（81.1°），经SLA处理后降至58.6°，UV/碱处理后亲水性显著提升至12.9°（接近超亲水），而Ti/Silane表面WCA为21.3°，表面能与Ti/UV相近（78.36 vs 84.25 mN/m），显著高于原始钛（29.53 mN/m）。场发射扫描电镜（FE-SEM）和原子力显微镜（AFM）显示，Ti/SLA和Ti/UV表面粗糙度（Ra）分别为182.1 nm和163.5 nm，而Ti/Silane表面Ra降至20.4 nm，显著平滑。元素映射显示硅、氮、氧在表面均匀分布，涂层厚度约12 μm。ATR-FTIR在956 cm⁻¹处检测到Si−O−Ti共价键特征峰，证实化学接枝成功。稳定性测试表明，该涂层在PBS中浸泡40天及高温灭菌（200°C）后性能稳定。

图1.硅烷修饰钛种植体的制备与双重功能机制示意图。表面改性三步法：酸蚀构建微孔结构→UV/碱液处理生成羟基→APTES浸涂形成交联硅烷层；双功能作用机制：物理上，光滑表面（粗燥度≈20nm）减少细菌粘附；化学上，质子化氨基（-NH₃⁺）吸引成骨相关阴离子（PO₄³⁻/COO⁻），同时破坏细菌膜结构。

图2.表面化学与形貌表征。（A）不同处理钛片的水和二甘醇接触角；（B）FE-SEM表面形貌与AFM三维表面粗糙度图像；（C）Ti/Silane的SEM元素映射（Si、N、O分布）与截面SEM显示涂层厚度约11.98 μm。

（2）生物相容性与体外骨整合性能

CCK-8实验表明硅烷涂层不影响BMSCs增殖。免疫荧光显示，Ti/Silane表面OCN和RUNX2阳性细胞数量显著多于其他组别，成骨基因表达上调约3倍。ALP活性染色和定量分析显示Ti/Silane组ALP活性最高，茜素红S染色显示其钙沉积量较对照组增加>75%。qRT-PCR和Western blot证实，Ti/Silane组RUNX2、OCN、OSX等成骨标志物表达显著上调。RNA测序和WGCNA分析揭示，Ti/Silane通过下调ID3（RUNX2转录抑制剂）表达，解除对RUNX2的抑制，从而促进BMSCs成骨分化（图3G-J）。ChIP-qPCR和双荧光素酶报告基因实验进一步证实，Ti/Silane处理显著增强RUNX2在OCN启动子上的富集。

图3.体外成骨性能评价。（A-B）免疫荧光染色显示OCN和RUNX2表达及半定量统计；（C-D）ALP活性染色与茜素红S染色及定量分析；（E）成骨相关基因（RUNX2、OCN、OSX）的qPCR分析；（F）成骨蛋白的Western blot；（G-I）RNA测序的热图、火山图及前20条富集通路分析；（J）ID3和OCN的相对表达量。

（3）体外抗菌活性

选用金黄色葡萄球菌（S. aureus）、变形链球菌（S. mutans）和牙龈卟啉单胞菌（P. gingivalis）作为代表菌种（分别对应需氧、兼性厌氧和厌氧菌）。SEM观察和细菌黏附定量显示，Ti/Silane表面细菌黏附量最少（较Ti/SLA减少约80%）。活/死菌荧光染色显示Ti/Silane组死菌比例最高。平板菌落计数实验表明，Ti/Silane对三种测试菌及临床种植体周围炎患者复杂菌群的接触杀菌效果均显著优于其他组别。透射电镜（TEM）显示，Ti/Silane处理后细菌胞壁粗糙、破损，胞质外泄，证实氨基阳离子通过静电作用破坏细菌膜结构，导致细菌裂解死亡。

图4.体外抗菌性能评价。（A）扫描电镜显示不同表面细菌黏附形态及定量统计；（B）活/死菌荧光染色（SYTO-9/PI）及死/活菌比例定量；（C-E）接触杀菌实验的菌落照片及计数（S. aureus、S. mutans、P. gingivalis）；（F-H）临床患者菌群在需氧、兼性厌氧和厌氧环境中的接触杀菌实验；（J）透射电镜显示S. aureus在Ti/Silane表面处理后胞壁损伤与裂解过程。

（4）体内骨整合与抗菌评价

在新西兰兔下颌骨无牙区建立种植体植入模型。Micro-CT和组织学（H&E、Masson染色）显示，术后4周Ti/Silane组即可形成致密骨层，骨覆盖率和骨密度（BMD）显著高于Ti和Ti/SLA组；术后8周，Ti/Silane组骨体积分数（BV/TV）、骨小梁厚度（Tb.Th）和数量（Tb.N）及皮质骨厚度均显著优于对照组，且螺纹区域被骨组织完全覆盖。在种植体周围炎模型中，Gram染色确认感染模型成功建立。术后8周，Ti/Silane组种植体表面细菌黏附量最少，死菌比例最高，证实其在开放口腔环境中具有持久的抗菌效果。

图5.体内骨整合与抗菌评价。（A）Micro-CT三维重建显示不同时间点骨组织形成；（B-C）H&E和Masson染色显示种植体周围组织；（D）免疫荧光显示OCN和RUNX2表达；（E）Micro-CT二维图像与三维重建；（F）骨覆盖百分比、BV/TV、BMD等定量参数；（G）Gram染色显示种植体周围典型致病菌；（H）活/死菌荧光染色显示表面细菌分布；（I）细菌覆盖面积与荧光强度定量。