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第一部分无机纳米颗粒材料对骨缺损修复作用的研究背景:在骨科重建手术、骨科慢性疾病和创伤所致的骨缺损的治疗过程中,以生物材料、细胞和生长因子为主要研究方向的骨组织工程已经成为了重要的研究方向。到目前为止,羟基磷灰石（HA）和β-磷酸三钙（β-TCP）由于其良好的生物相容性和生物活性而常常被应用于骨缺损治疗过程中的组织工程材料。但是并不令人完全满意的是,HA和β-TCP组织工程支架仅具有有限的骨诱导性,因此它们不能满足骨质疏松症和代谢紊乱患者的治疗需求。为了在能够在保证骨缺损修复能力的条件下,提高机械性能,目前的研究主要几种在将各种机械性能增强材料（如碳纳米管,石墨烯和氮化硼纳米管等）纳入生物材料的应用之中。近年来,在人体中发现了微量的稀土元素（REEs）,如钆（Gd）,铈（Ce）,铕（Eu）,钐（Sm）和镧（La）等元素在调节人体干细胞分化,代谢和组织再生的重要作用。目的:本实验通过合成来源于无机稀土元素的磷酸镧纳米颗粒/壳聚糖（LaPO4/CS）以及磷酸钆纳米颗粒/壳聚糖（GdPO4/CS）支架材料,并与β-磷酸三钙/壳聚糖（β-TCP/CS）支架材料进行对比,评估其理化性质及骨缺损的修复能力。方法:通过化学沉淀法制备直径为4060nm的LaPO4纳米颗粒以及GdPO4纳米颗粒,然后以此为基础,将其搭载层叠状的壳聚糖的支架上,并对支架进行扫描电镜、透射电镜、X-射线衍射检测、傅里叶红外光谱分析等检测表征其理化性能。在体外,将BMSCs接种于支架,通过SEM、CCK-8、ALP活性、ALP及茜素红染色、RT-PCR以及Western Bolt检测其体外生物相容性和体外促成骨分化能力。体内将支架植入S-D大鼠的颅骨缺损区,并通过序列荧光标记、Micro-CT、组织学染色等方法对其体内的骨缺损修复能力。结果:本实验成功合成了直径为4060nm的LaPO4纳米颗粒以及GdPO4纳米颗粒,并搭载于壳聚糖支架上。体外结果显示,纳米LaPO4/CS以及纳米GdPO4/CS支架材料与对照组β-TCP/CS支架材料相比,具有良好体外生物相容性和促成骨分化能力。同时,研究发现La可以通过Wnt/β-catenin信号通路促进骨髓间充质干细胞的成骨分化,并诱导成骨相关基因碱性磷酸酶,骨钙蛋白和胶原蛋白-I的高表达;而Gd可以通过激活Smad/Runx2型号通路,促进BMSCs的成骨分化。在体内,这两种支架材料与对照组相比,都可以增强大鼠临界尺寸的颅骨缺损的修复以及胶原蛋白沉积。结论:1.纳米LaPO4/CS以及纳米GdPO4/CS材料均具有良好的体外生物活性。2.与β-TCP/CS支架相比,纳米LaPO4/CS以及纳米GdPO4/CS材料在体外和体内均可以显著的促进细胞的成骨分化和新骨的再生。第二部分纳米有序化点阵不锈钢材料对骨缺损修复作用的研究背景:骨折是最常见的损伤之一,近几十年来,骨折的发病率急剧增加,在骨折的治疗过程中,导致了医疗保健系统和个人的各种巨额经济负担。目前,医用的316L不锈钢材料仍然广泛应用于各种临床手术之中,因为其具有优越的机械性能、耐腐蚀性能以及相对较低的价格。然而,316L不锈钢在人体内的长期植入依然存在着某些临床问题。为了解决这些问题,在316L不锈钢的表面改性被认为是进一步提升改材料的生物活性以及摩擦性能、预防内固定松动或者断裂的最有效的方式。之前的研究中,我们发现直径为5060 nm的纳米凹坑能够显着的增强了细胞的粘附附着能力和增殖能力。因此,纳米尺度下316L不锈钢的表面修饰,也可能为体内细胞提供一个极好的生物活性界面,并促进细胞的体外和体内的成骨能力。目的:本实验通过在316L不锈钢的表面进行纳米有序化点阵修饰及纳米硒涂层,并与普通316L不锈钢材料进行对比,评估其理化性质及骨缺损的修复能力。方法:通过电化学氧化法和纳米级硒涂层,合成具有纳米有序化点阵硒涂层316L不锈钢,以增强其表面特性,生物相容性和骨整合能力。并通过场发射扫描显微镜（FESEM）,能量色散X射线光谱（EDS）,X射线光电子能谱（XPS）和硒释放等检测表征其理化性能。在体外,将BMSCs接种于材料表面,通过SEM、免疫荧光、CCK-8、ALP活性和RT-PCR检测其体外生物相容性和体外促成骨分化能力。体内将支架植入S-D大鼠的股骨缺损区,通过Micro-CT检测其体内的骨缺损修复能力。结果:本研究成功合成了直径为50nm的纳米有序化点阵,并且由纳米硒单质涂层的纳米有序化点阵316L不锈钢材料。体外结果显示,纳米有序化点阵316L不锈钢与传统的316L不锈钢材料相比,具有良好体外生物相容性和促成骨分化能力。更重要的是,硒涂层可以上调OPNRUNX-2和ALP的基因表达,说明其突出的细胞相容性和成骨分化能力。在体内,纳米有序化点阵硒涂层316L不锈钢可以更好的促进体内的新骨形成。结论:1.纳米有序化点阵316L不锈钢材料与普通316L不锈钢材料相比,具有良好的生物相容性和促成骨分化能力。2.纳米硒涂层修饰后的纳米有序化点阵316L不锈钢材料,其成骨相关的基因进一步的上调,表明其在骨组织工程应用中的良好前景。