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大块骨缺损的修复与再生一直是国际临床上的一个挑战和亟待解决的问题。骨组织修复过程中,前期血管的形成至关重要,血管能加强骨缺损处活性因子、细胞、营养元素的传输和物质的交换,从而促进成骨。概括来讲,治疗骨缺损的方法主要有自体骨移植、同种异体骨移植和人工骨修复材料植入。自体骨和异体骨植入物分别因为来源有限,存在疾病传播的风险等,其应用受到限制。而组织工程人工骨修复材料因其来源广,无疾病传播风险,化学组成、结构外形可控等优势在骨修复与再生领域得到广泛研究。其中,三维（3D）打印生物陶瓷支架因具有精确可控的孔结构和个性化定制等特点而被广泛应用在生物医学领域。但是,传统的3D打印生物陶瓷支架仍然存在一些不足。因此,本论文旨在通过调控骨修复材料的孔隙结构、孔隙率和比表面积,赋予材料前期诱导血管生成的能力,以及提高骨修复材料的力学性能,我们从仿生学的角度,结合多种方法制备出具有天然生物内部微观结构的骨修复仿生支架,探究其体内外成骨相关生物学效应,并着重探究了支架在体内外的血管生成能力以及仿生结构对支架力学强度和韧性的影响。主要研究内容与结论如下:1.受自然界中莲藕内部结构的启发,通过设计和制备新型的3D打印喷嘴以及具有合适流变学和力学特性的3D打印浆料,制备出每个基元都具有平行多通道结构的仿生莲藕3D打印支架。通过这个全新的3D打印策略,能够灵活调控仿生莲藕支架的理化性质,不仅可以制备出镁黄长石（AKT,Ca2Mg Si2O7）、Zr O2、Al2O3、Fe、Alginate等不同材质的仿生莲藕支架,还可以调控仿生莲藕支架的宏观外形、基元尺寸、通道数目和尺寸、孔隙率、比表面积以及机械性能等。制备的仿生莲藕AKT生物陶瓷支架其孔隙率最高可达80%,其力学强度可以达到30MPa以上,能够满足非承重骨组织修复的需要。体外生物学分析表明,与传统的3D打印支架（TSSP支架）相比,仿生莲藕支架能够更好地促进体外r BMSCs的粘附、传输和增殖,其对体外细胞生物活性的促进作用和负载的细胞数量与仿生莲藕支架的通道数目成正相关性。另外,支架植入兔子颅骨缺损修复实验结果表明,血管组织成功长入仿生莲藕支架的孔道内部,支架内部比传统支架长入更多的骨组织,骨缺损修复效果更好。由此可见,这种平行多通道结构能够促进支架与骨缺损微环境之间的营养传输和物质交换,从而大大促进支架内部骨组织的再生,同时,实验验证这种仿生莲藕结构能够诱导体内血管形成,进而促进体内骨缺损的修复。2.在第一部分3D打印仿生莲藕支架的研究基础上,我们利用单通道3D打印喷嘴和水热合成法制备出具有表面微纳米结构和空心管结构的生物陶瓷支架（M-C-S支架）。微观形貌和组成分析结果显示,M-C-S支架的表面和中空通道内壁均沉积了一层磷酸钙为主的生物矿化层;另外,显微图像显示生物矿化层由粒径约80～100 nm的微纳米颗粒构成。体外生物学实验表明,M-C-S支架的微纳米结构和中空管结构能够协同促进体外r BMSCs的生物活性,仿生支架的中空管结构能够为细胞提供更大的空间,比传统的3D支架负载更多的细胞。将M-C-S支架植入兔子股骨缺损部位12周后,Micro-CT立体图像和硬组织切片V-G染色的结果都表明有更多的新生骨在M-C-S支架的孔隙和管道内部生成。组织形态学定量分析结果进一步显示,M-C-S支架表面微纳米结构和中空管结构表现出对体内成骨的协同促进作用。这项研究中制备的M-C-S支架具有比传统支架更好的体内成骨活性,生物矿化层的微纳结构和中空管通道在促进骨再生方面表现出协同效应,说明这种支架在骨组织工程中具有潜在应用前景。3.基于以上两部分对3D打印生物陶瓷支架的研究,针对传统的3D打印生物陶瓷支架质地脆,其塑性跟人体骨不匹配的缺点,本研究在贝壳珍珠层和皮质骨层状结构的启发下,通过模拟生物矿化过程原位结晶羟基磷灰石（HA）并结合真空抽滤自组装技术,构建了双仿生生物体系,成功地制备出具有皮质骨的多层卷筒结构和贝壳“砖泥”多层结构的双仿生羟基磷灰石支架。在设计新材料时,我们考虑化学组成和微观结构两个因素。首先,在支架的材料组成上我们选择同样具有生物相容性和较好生物活性的氧化石墨烯（GO）和壳聚糖（CTS）作为原料,同时引入HA晶体颗粒;在微观结构方面,以GO作为分层模板,通过真空抽滤自组装的方法制备出具有微观“砖泥”结构的生物膜,将直接添加HA颗粒（非原位合成HA法）制备的生物膜以及自然干燥法制备的生物膜作为对照,然后模拟皮质骨的多层卷筒结构将2D的生物膜制作成3D的支架。制备的仿生贝壳膜具有层间距小于200 nm的规整有序的层状结构,双仿生支架呈现层厚均小于100μm的规整卷筒螺旋结构。这种双仿生支架具有与皮质骨相似的抗压强度（98.4 MPa）、抗弯强度（171.6 MPa）和韧性（1.1 MJ/m3）。同时,体外实验结果表明,相比于其他对照组,这种仿生贝壳膜能够促进r BMSCs和HUVECs的粘附和增殖。同时还能够促进体外成骨相关基因（BSP,OCN,Runx2和OPN）和成血管相关基因（e Nos,HIF-1α,VEGF和KDR）的表达。双仿生支架分别植入大鼠股骨缺损和兔子的股骨缺损8周,结果证明,这种双仿生支架相比于对照组表现出更好的体内成血管活性和成骨性能。本研究中,通过构建双仿生系统,实现了生物材料的强度和韧性方面的显著提升。并且制备的双仿生支架具有接近人体骨的力学强度和韧性,以及良好的成血管、成骨性能,这种兼具良好生物活性和机械性能的骨修复材料有望用于承重部位骨缺损修复。综上所述,本论文针对如何提高3D打印生物陶瓷骨修复支架的生物活性和机械性能这两个突出问题,师法自然,从自然界中的天然生物结构寻找灵感,我们分别通过对仿生莲藕平行多通道结构的构建、生物矿化层微纳米结构的表面改性、贝壳“砖泥”多层结构和皮质骨卷筒结构的双仿生系统的制备,实现骨修复材料较为优良的力学强度和韧性,以及良好的体内成血管和成骨活性,这为承重骨修复和大块骨修复提供了可行性的新策略。