聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是应用最广泛的增强空心椎弓根螺钉固定稳定性的材料,在临床应用中被证实有很好的增强效果。然而,PMMA有许多的缺点,例如聚合物单体具有毒性,刚度过高,缺乏骨传导性,以及其在体内的不可降解性等。因此,为了解决上述问题,本研究在传统磷酸钙骨水泥(CPC)的基础上,将淀粉和硫酸钡显影剂加入到磷酸钙粉末中,制备了一种新型的可注射、可生物降解的磷酸钙基纳米复合材料(CPN),并表征分析了 CPN结构与性能,探索了其用于空心椎弓根螺钉固定的加强效果和应用潜力。本文的第一部分对CPC骨水泥进行改进,加入淀粉和显影剂硫酸钡,制备了新型的磷酸钙纳米复合材料(CPN),并通过微观结构观察、力学测试等手段对CPN的材料学性能进行表征。此外,针对临床上对于螺钉强化材料的要求,系统地研究了CPN的注射性能、生物相容性、体内成骨性能。结果表明,相较于传统的CPC,CPN的抗溃散性能和力学性能显著提高,CPN的压缩强度约为50 MPa,达到了 CPC(13.21±2.45 MPa)的三倍多,并且其压缩模量也有明显的提升,达到1.01±0.29 GPa。与PMMA骨水泥相比,CPN表现出了类似的注射性,且当CPN的混合成型液固比(L/S)为0.6 mL/g时,其注射率达到95±1%。此外,CPN表现出了更快的自固化特性,初始固化时间和最终固化时间均短于PMMA,表明CPN可以满足临床应用所需的操作时间。CPN的细胞生物相容性测试结果显示:在第3天时,CPN组的成骨细胞增殖比PMMA组快,细胞相对增殖率分别为1886%和1277%(p=0.018)。为了进一步评估CPN骨水泥的体内降解性能,利用兔子股骨缺损模型对CPN的生物降解和骨整合性能进行评估。结果表明在24周后,CPN发生降解,并且在降解部位有明显的新骨生成。上述结果表明,CPN有良好的生物学性能。本文的第二部分针对骨水泥的弥散性能展开研究,利用开孔的标准测试材料(Sawbones,model 1522-507)、脱钙羊椎体骨质疏松模型以及骨质疏松尸体骨椎体模型分别对CPN骨水泥的流动性和弥散性能进行评估,并与临床用PMMA骨水泥进行对比。在Sawbones标准测试材料中,将固化后的水泥块进行影像学检查和分析,计算其投影面积和弥散体积。在尸体骨中,通过3D打印导板的引导准确置入螺钉,并将骨水泥注入椎体。通过测量椎体的正位以及上下位方向骨水泥的投影面积,并对强化后的腰椎样本进行三维CT重建,以测量不同骨水泥的弥散体积。结果显示:在三种模型中,CPN均表现出了与PMMA相似的弥散能力;CPN在Sawbones标准测试材料中可以弥散流动形成海绵状结构;在羊椎体中的实验结果显示,CPN从中空管道流出时具有较好的流动性,能够在多孔的骨结构中交叉流动和弥散;在尸体骨中更容易弥散到螺钉远端,因此适合用作椎弓根螺钉的强化材料。本文的第三部分针对骨水泥对螺钉的力学增强效果展开研究,利用Sawbones标准测试材料、脱钙羊椎体骨质疏松模型以及骨质疏松尸体骨椎体模型中对CPN加强空心椎弓根螺钉固定的生物力学稳定性进行了评估。在Sawbones标准测试材料中的结果表明,与临床使用的PMMA相比,CPN表现出更好的抗拔出能力,CPN组的最大抗拔出力达到121±6 N,高于PMMA组(100±23 N)和CPC组(98±6 N)。在羊椎体中的抗拔出力结果显示,CPN组的最大抗拔出力为1351 ±324N,与PMMA组接近(1459±304N),无统计学差异(p=0.35)。在尸体骨中的实验结果进一步显示,CPN组的最大抗拔出力(1199±225 N)与PMMA组(1337±483 N)接近,尽管CPN的平均值略低,但无统计学差异(p=0.47),上述生物力学结果表明了 CPN取代PMMA用于固定空心椎弓根螺钉的潜在可能性。