Hierarchical surface structures with micro-nano scale play a crucial role in regulation of cell proliferation and osteogenic differentiation. It has been proven that cells are extremely sensitive to the nanoscaled structure and show multifarious phenotypes. Though a vital function of microstructure on osseointegration has been confirmed, the cell performances response to different microscaled structure is needed to be further dissected and in depth understood. In this work, the ordered micro-nano hierarchical structures with varying micro-scaled pits were precisely fabricated on titanium successfully by the combination of electrochemical, chemical etching and anodization as well. In vitro systematical assessments indicated that the micro-nano multilevel structures on titanium exhibited excellent cells adhesion and spreading ability, as well as steerable proliferation and osteogenic differentiation behaviors. It is shown that smaller micro-pits and lower roughness of the hierarchical structures enabled faster cell propagation. Despite cell growth was delayed on micro-nano titanium with relatively larger cell-match-size micro-pits and roughness, osteogenic specific genes were significantly elevated. Furthermore, the alkaline phosphatase (ALP) activity, collagen secretion and extracellular matrix (ECM) mineralization of MC3T3-E1 on multi-scaled titanium were suppressed by a large margin after adding IWP-2 (an inhibitor of Wnt/β-catenin signal pathway), indicating this pathway played a crucial part in cell osteogenic differentiation modulated by micro-nano structures.

中文翻译：

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通过钛的有序微/纳米分级结构上不同尺度的微坑精确介导细胞成骨生物活性

具有微纳米尺度的分层表面结构在调节细胞增殖和成骨分化中起着至关重要的作用。已经证明，细胞对纳米级结构极为敏感，并表现出多种表型。虽然微结构对骨整合的重要作用已得到证实，但细胞性能对不同微尺度结构的响应仍需进一步剖析和深入了解。在这项工作中，通过电化学、化学蚀刻和阳极氧化的结合，成功地在钛上精确地制造了具有不同微尺度凹坑的有序微纳分级结构。体外系统评估表明，钛上的微纳多级结构表现出优异的细胞粘附和铺展能力，以及可控的增殖和成骨分化行为。结果表明，层次结构的较小的微坑和较低的粗糙度使细胞传播速度更快。尽管具有相对较大的细胞匹配大小的微凹坑和粗糙度的微纳米钛上的细胞生长延迟，但成骨特异性基因显着升高。此外，加入 IWP-2（Wnt/β-catenin 信号通路抑制剂）后，MC3T3-E1 在多尺度钛上的碱性磷酸酶（ALP）活性、胶原分泌和细胞外基质（ECM）矿化被大幅度抑制。 ），表明该途径在由微纳米结构调节的细胞成骨分化中起关键作用。结果表明，层次结构的较小的微坑和较低的粗糙度使细胞传播速度更快。尽管具有相对较大的细胞匹配大小的微凹坑和粗糙度的微纳米钛上的细胞生长延迟，但成骨特异性基因显着升高。此外，加入 IWP-2（Wnt/β-catenin 信号通路抑制剂）后，MC3T3-E1 在多尺度钛上的碱性磷酸酶（ALP）活性、胶原分泌和细胞外基质（ECM）矿化被大幅度抑制。 ），表明该途径在由微纳米结构调节的细胞成骨分化中起关键作用。结果表明，层次结构的较小的微坑和较低的粗糙度使细胞传播速度更快。尽管具有相对较大的细胞匹配大小的微凹坑和粗糙度的微纳米钛上的细胞生长延迟，但成骨特异性基因显着升高。此外，加入 IWP-2（Wnt/β-catenin 信号通路抑制剂）后，MC3T3-E1 在多尺度钛上的碱性磷酸酶（ALP）活性、胶原分泌和细胞外基质（ECM）矿化被大幅度抑制。 ），表明该途径在由微纳米结构调节的细胞成骨分化中起关键作用。成骨特异性基因显着升高。此外，加入 IWP-2（Wnt/β-catenin 信号通路抑制剂）后，MC3T3-E1 在多尺度钛上的碱性磷酸酶（ALP）活性、胶原分泌和细胞外基质（ECM）矿化被大幅度抑制。 ），表明该途径在由微纳米结构调节的细胞成骨分化中起关键作用。成骨特异性基因显着升高。此外，加入 IWP-2（Wnt/β-catenin 信号通路抑制剂）后，MC3T3-E1 在多尺度钛上的碱性磷酸酶（ALP）活性、胶原分泌和细胞外基质（ECM）矿化被大幅度抑制。 ），表明该途径在由微纳米结构调节的细胞成骨分化中起关键作用。