本篇博士论文,旨在开发新型高效的骨修复材料。出于临床需求的考虑,首先寻求在钛种植体表面构建成骨因子缓释平台的策略,并进行了相关探索性实验。随后,有鉴于金属种植体的固有缺陷,尝试用组织工程的策略,并进行了多种骨支架设计。作为骨组织工程的核心,骨组织工程支架的开发是十分重要的。对于理想的支架材料来说,其对结构和性能的诉求是非常苛刻的。尽管研究者们做了大量的努力来优化支架设计从而改善支架的性能,但是对于大部分当前开发的支架来说,依然存在着两个问题:(i)难以同时保持高孔隙率和高机械强度;(ii)难以维持负载成骨因子的生物活性并且对其进行可控的体内释放。因此论文作者在接下来的工作里主要针对这两个问题,做了一系列的理论设计和初步探索实验。论文具体的研究内容如下:1.第一部分,使用具有β-折叠构象的再生丝素膜封装,将地塞米松@ZIF-8纳米粒子包覆到钛种植体表面预设计的微米腐蚀坑里,从而在钛种植体表面构建了一个稳定高效可持续的地塞米松传递平台。而且,钛基质预先进行了氨基化处理,并且使用京尼平交联,在钛基质和丝素膜之间构建了强的共价相互作用。总的来说,因为丝素膜与ZIF-8壳的协同屏蔽作用,所制备的丝素-地塞米松@ZIF-8-钛种植体能够可控释放地塞米松分子长达30天。而且,腐蚀坑的坑壁以及丝素膜能够保护药物负载粒子在机械磨损的情况下不会从钛片的表面脱落。钛基质与丝素膜之间形成的强共价相互作用防止了丝素膜不会在湿润环境下从钛片的表面剥离。体外细胞培养试验表明如上制备的钛种植体具有良好的MC3T3-E1细胞相容性。而且,当细胞培养在这种钛片上的时候相比对于照组样品,展现了更高的分化,钙沉淀和成骨基因表达潜能。在本实验中,地塞米松只是被作为一种成骨药物模型,其完全可以替换成其他的成骨药物或者生长因子,因此本研究能够启发未来研究者们对钛种植体的研发工作。2.第二部分,将有机高分子的结晶构象调制理论引入到组织工程支架的开发过程。探索了有机增强的结晶构象的转变对复合支架材料的机械强度的影响。利用原位沉淀法制备了一种壳聚糖-柞蚕丝素/羟基磷灰石复合水凝胶材料。通过使用甲醇溶液浸泡原位诱导复合水凝胶中丝素分子的构象转变,使得最终所得干燥复合物材料的弹性模量和断裂强度可以在一个较宽的范围内连续可调,而且其组成,形貌,粗糙度以及无机晶体结构都不会受到影响。具体来说,复合物的弹性模量的变化范围为～250到～400 MPa,其断裂强度在～45到～100 MPa的范围内变化。为了解释这个现象背后的原理,论文作者提出了一个推断性的机理解释。3.第三部分,将双网络的理论引入到了组织工程支架的研发,开发了一种具有高机械强度的多组分有机无机复合细菌纤维素-明胶/羟基磷灰石双网络骨支架平台。压缩与拉伸测试表明,湿态的细菌纤维素-明胶/羟基磷灰石水凝胶的弹性模量(0.27 MPa)高于细菌纤维素/明胶水凝胶(0.12 MPa),其最终断裂强度(0.28 MPa)要高于细菌纤维素/羟基磷灰石水凝胶(0.22 MPa)。干态的细菌纤维素-明胶/羟基磷灰石复合物机械强度(177 MPa的杨氏模量和12.95 MPa的断裂强度)要远高于细菌纤维素/羟基磷灰石复合物(杨氏模量48 MPa,断裂强度7.35 MPa)、细菌纤维素/明胶复合物(127 MPa的杨氏模量和7.81 MPa的断裂强度)和纯的细菌纤维素(杨氏模量52 MPa,断裂强度4.22 MPa)。4.第四部分,基于实验室早期的半透渗透理论,提出了一种构建大孔尺寸和高机械强度骨支架的普适性方法。具体来说,提出了一种新颖的“氨诱导法”,用以在壳聚糖基水凝胶中制备各向异性的贯穿孔结构。除此外,还对这种制孔方法的原理进行了探索,对这种方法的普适性进行了研究。实验结果表明,这种方法制备的支架材料的孔直径在100-400微米的范围,机械强度接近人体松质骨。5.第五部分,利用天然骨各向异性的力学特征,仿生设计轴向强化高孔隙率支架模型。通过使用具有β-折叠构象的丝素膜包覆地塞米松沉积的Whatman纸,制备了一种新颖的功能化纸,然后使用这中功能化的纸在冷冻干燥的明胶水凝胶里构建了一个各向异性的三通管状框架。这种新颖的结构设计赋予了功能化纸框架/支架种植体高的孔隙率,高的机械强度,以及可持续的地塞米松释放能力。具体来说,其孔隙率高达88.2%,接近人体松质骨。其孔的直径在50到350微米的范围内变化,平均孔径127.7微米,这种孔尺寸满足营养物质和氧气的传递需求以及骨组织向内生长的需求。在干态和湿态的情况下,这种支架材料都展现出了很优异的机械性能(干态:弹性模量174.7 MPa,抗压模量14.9 MPa;湿态:弹性模量59MPa,抗压模量3.3 MPa),基本上达到了体内移植对机械强度的需求。另外,这种支架材料可以在模拟人体体液里可控释放地塞米松分子长达50天。体外细胞培养表明这种支架材料具有非常优异的细胞相容性和成骨诱导能力,体内实验表明其能够诱导新骨的生成。