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人体骨骼是由一套从微观到宏观层次分明的结构组成的器官。骨相关疾病严重危害数千万人的健康。通过合理选用骨组织工程治疗策略,为攻克人体骨缺损疾病开辟了一条新的道路。蚕丝蛋白是一类性能独特的天然大分子,由于其具有许多优良的物化特性在骨组织工程领域发挥着越来越重要的作用。目前基于蚕丝蛋白的骨修复材料通常设计思路包含丝蛋白支架、细胞和生长因子,过程为:首先制备蚕丝蛋白多孔支架,其次将间充质干细胞(MSC)接种在支架上体外扩增,然后添加外源生长因子诱导MSC的分化,最后将细胞/支架复合材料植入骨缺损部位修复缺损骨。与此同时,利用仿生矿化法,蚕丝蛋白诱导羟基磷灰石(HAp)晶体的生成,可用于蚕丝蛋白骨修复材料的构建。然而,蚕丝蛋白骨组织工程仍面临着挑战,还需要克服目前的不足如仿骨结构不完全,支架骨诱导性不高,需要额外添加骨诱导剂,修复大块骨缺损能力不足等。因此,如何有效模拟骨组织的成分和结构,制备“智能”蚕丝蛋白仿骨材料,提高MSC的成骨分化能力和骨修复能力,是目前构建蚕丝蛋白仿骨支架亟待解决的关键问题。针对上述关键问题,本研究开发新型蚕丝蛋白材料加工技术,构建具有微/纳拓扑结构的蚕丝蛋白支架,提高其骨诱导性能,以期获得具有优良特性的骨修复材料。主要结果如下:(1)利用共沉淀矿化法获得纳米针状HAp晶体来提高蚕丝蛋白材料的成骨分化能力:以丝蛋白为模板调控晶体在蛋白表面的成核和生长,生成具有与天然骨HAp尺寸大小和结构类似的纳米针状HAp晶体;HAp/丝蛋白材料能够促进MSC的粘附,具有良好的细胞相容性并促进MSC向成骨细胞的分化。因此,利用生物矿化调控HAp形貌可诱导MSC向成骨的分化,提高蚕丝蛋白材料的骨诱导性。(2)利用静电纺丝技术与冰晶模板法构建具有拓扑结构的2D蚕丝蛋白膜,提高蚕丝蛋白膜的骨诱导能力:通过静电纺丝技术,制备具有串珠微粒结构和纳米纤维结构的丝蛋白膜,而串珠微粒结构的膜能显著诱导MSC向成骨方向分化;在此基础上,开发冰晶模板法调控丝蛋白膜的表面形貌,形成具有规则脊状拓扑结构的丝蛋白膜;MSC在脊状丝蛋白膜上显著被拉伸并促进MSC表达更多的骨相关蛋白,并在皮下模型中异位成骨。因此,基于串珠状拓扑结构和脊状拓扑结构的丝蛋白膜具有很好的骨诱导性,属于“智能型”仿骨生物材料范畴。(3)通过冷冻铸造技术构建片层状3D蚕丝蛋白多孔支架,实现大尺寸缺损骨的修复:通过冷冻铸造法制备具有规则片层状的丝蛋白多孔支架;片层状支架具有较高的抗压强度和弹性模量;片层状支架能够在3D培养环境下促进MSC的长期存活并过量表达骨相关蛋白;片层状支架植入大鼠桡骨缺损模型3个月后被逐渐降解,并在缺损部位再生出新的骨组织。因此,冷冻铸造技术为设计新型仿骨材料提供了崭新的平台。本研究通过共沉淀矿化法、静电纺丝法、冰晶模板法、冷冻铸造法等方法制备出四类具有微/纳拓扑结构的丝蛋白基骨修复材料,能够调控MSC向成骨细胞的分化,并能促进骨组织的再生,因此综合评定了拓扑结构丝蛋白支架的骨诱导和骨修复能力。