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各种病因导致的大段骨缺损一直是临床治疗的难点。应用组织工程技术构建具生物活性的人工骨替代材料是潜在的解决办法。随着先进材料研发的不断进步,骨微环境代谢机制研究逐渐深入,构建能整合和调控不同的生物学活性,体内降解与骨再生完美匹配,重建甚至加速骨修复过程的新型骨修复材料,是当前骨组织再生研究所致力达到的目标。可生物降解的软性水凝胶支架和硬性高分子聚合物支架是目前最为常用的人工骨修复材料,但是存在生物活性差、骨修复效果不佳的问题。生理状况下骨折愈合包括一系列级联生物反应,血管侵入和骨前体细胞向成熟骨细胞的诱导分化是其中的关键环节。因此,针对骨修复过程的关键环节,通过化学修饰或者结合药用性小分子化合物,使水凝胶和高分子支架具有骨诱导活性和血管诱生活性,能够极大推进骨修复材料的临床转化。目的构建具有骨诱导活性和血管化活性的软性水凝胶和硬性高分子聚酯类骨修复支架,通过体外实验探究其骨诱导和血管诱导的有效性和机制,并应用不同的疾病模型验证其骨修复效果。方法(1)基于多肽小分子(NapFFRGD)自组装协同诱导蚕丝蛋白(silk fibroin,SF)快速凝胶化技术,构建新型的含有RGD官能团的可注射水凝胶支架。对水凝胶支架进行材料学表征与生物相容性测试,将包裹骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)的水凝胶应用于小鼠颅盖骨缺损的修复,通过real-time PCR检测、疫组织化学染色、组织形态学染色、micro-CT扫描分析等方法,研究其骨诱导活性及骨修复的效果。(2)采用3D打印和高分子材料表面改性技术,构建能控释小分子低氧模拟化合物DFO的3D打印聚-己内酯(polycaprolactone,PCL)支架。对3D打印支架进行材料学表征、药物释放以及生物相容性测试。体外通过细胞培养、茜素红染色、real-time PCR检测、western-blot检测、免疫组织化学染色等方法;体内建立大鼠股骨远端巨大骨缺损模型,通过micro-CT扫描分析、组织切片染色、免疫组化染色、micro-fil血管灌注检测等方法,研究其控释DFO实现血管化和骨诱导双重生物功能机制,并探究其对于大段骨缺损的修复效果及机制。结果(1)多肽小分子(NapFFRGD)的引入,改善了蚕丝蛋白分子的凝胶化条件;RGD官能团的引入,显著增强了蚕丝蛋白凝胶的生物相容性和细胞黏附特性;构建的新型丝蛋白水凝胶支架能够促进BMSCs向成骨细胞定向分化,并可作为递送BMSCs的载体,显著促进小鼠颅盖骨缺损的修复。(2)制备的3D打印PCL/DFO支架具有极好生物相容性,能够实现DFO的控制释放;PCL/DFO支架通过激活HIF-1α信号通路促进脐静脉内皮细胞(human umbilical vein endothelial cells,HUVECs)血管样结构形成;PCL/DFO支架增强BMSCs向成骨诱导分化过程中细胞外基质的矿化以及相关基因、蛋白、酶活性的表达水平;PCL/DFO支架显著促进大鼠股骨缺损部位血管形成,新骨生成,加速骨缺损的愈合。结论(1)小分子多肽蚕丝蛋白水凝胶,具有骨诱导活性,且凝胶制备条件温和、可注射,是一种理想的骨诱导活性软性支架材料。(2)3D打印PCL/DFO支架具有血管诱导和骨诱导双重生物活性,通过引入低氧模拟化合物是制备血管化和骨诱导活性骨修复材料的理想办法。