骨肉瘤是最常见的原发性恶性骨肿瘤,已成为骨外科主要疾病之一。临床中肿瘤切除手术是目前治疗骨肉瘤最常用且最有效的方法,但是肿瘤切除会产生骨缺损,且由于切除不彻底残留的肿瘤细胞极易导致肿瘤复发。骨植入材料的研发和使用对于肿瘤切除术后骨缺损修复具有重要意义,但传统的植入材料忽略了残留肿瘤细胞引起的复发和转移问题,患者植入材料后仍需结合化疗来解决,而化疗药物局限性大、副作用大、特异性差,给患者的身心健康造成了严重的危害。另一方面,缺损处植入材料的表界面感染问题也是肿瘤切除术后主要的并发症之一,植入后一旦发生感染,往往需要注射大量的抗生素进行治疗,严重的将造成患者截肢甚至死亡。因此,为了杀灭残余肿瘤细胞并预防和消除植入材料表界面感染,研发一种兼具抗肿瘤和抗菌功能的植入材料成为肿瘤切除术后大段骨缺损临床治疗的有效途径。人体生物电的发现使得电刺激被广泛应用在临床,如借助电刺激恢复人体的某些收缩功能、治疗巴金森氏病等。研究表明外加电信号可以引起肿瘤细胞膜通透性增强和线粒体膜电位极化等多种病理性变化而杀灭肿瘤细胞,也可通过电解水产生大量活性氧杀灭细菌。此外电信号能调控骨细胞的增殖分化,对具有压电响应性的骨组织修复起到促进作用。但各种施加电信号的外源装置需要额外电源,携带不便和难以植入体内,且植入时易引起周围组织感染等临床问题,限制了其进一步的发展。因此,基于电信号对肿瘤细胞和细菌的杀灭作用,以及骨组织本身的压电特性,本文提出利用具有电信号响应性的压电材料仿生构建内源性电场实现离子输运靶向到细胞和细菌的设想,设计兼具抗肿瘤和抗菌特性的骨植入材料。研究了铜掺杂铌酸钾钠植入材料产生的无源电信号辅助离子输运对抗肿瘤机制、杀菌机制的影响规律,对骨肉瘤外科切除术后肿瘤复发和转移及植入体感染的消除具有重要的科研价值和临床意义,本研究进行了如下的工作:(1)针对骨肉瘤外科切除术后残留肿瘤细胞引起的肿瘤复发与转移及切除术后缺损处植入材料表界面感染的临床问题,提出利用压电植入材料与带电细胞或细菌之间形成的内源性电场传输带电离子靶向到细胞的设想,以实现杀死肿瘤细胞和抑制或消除细菌感染。设计并制备了一种具有电信号响应性的铜掺杂铌酸钾钠植入材料,通过外加电场极化处理的方法构建内源性电场。体外细胞生物学实验初步表明,内源性电场作用可以促进骨髓间充质干细胞的增殖分化和细胞的铺展,表明压电植入材料具有良好的生物相容性。同时一方面内源性电场大小也直接影响了骨肉瘤细胞代谢行为,其中高强度电场对骨肉瘤细胞的杀灭作用最明显,细胞存活率仅有16%。具体表现为高强度内源性电场作用下细胞膜电位去极化增强膜通透性,溶液中铜离子进入到胞内引起线粒体膜电位去极化从而促进细胞凋亡。另一方面具有低、中、高表面电势的压电植入材料与细菌细胞膜形成低、中、高强度的内源性电场。首先采用平板菌落计数法验证了高表面电势的植入材料对细菌的杀灭效果最好,抗菌率可达到100%。进而通过测定细菌内部的离子量,表明高强度电场作用下离子输运靶向到细菌的离子量最多,比低强度电场传输靶向到细菌离子量增加约140%。该研究工作的设计的极化压电植入材料与带电生命体之间形成的内源性电场为临床上设计兼具抗肿瘤和抗菌的骨植入材料提供了一种新的途径。(2)基于压电粒子可以响应外界超声刺激产生电信号的特性,进一步提出构建高强度纳米电场的设想,实现远程遥控杀死肿瘤细胞。固相烧结法结合水热处理技术制备出具有电信号响应性的铜掺杂铌酸钾钠压电粒子,采用个性化设计的模具在外加电场条件下对压电粒子进行极化处理,并通过数字信号放大器采集超声刺激下压电粒子输出的电信号,结果表明极化后的压电粒子输出的电信号最强,可以达到120m V。体外细胞实验结果表明高强度纳米电场作用下对骨肉瘤细胞的杀灭作用最明显,细胞存活率仅有20.8%。动物体内实验进一步证明高强度纳米电场的抗肿瘤效果。因此,根据以上对超声刺激增强压电粒子的电信号响应性的初步探索实验可知,无源高强度纳米电场为早期骨肉瘤局部治疗提供了一种新的方法。(3)基于骨组织成中压电胶原纤维的多级结构,提出在铌酸钾钠压电植入材料表面构建电信号响应强度不同的微区结构的设想。首先采用激光辐照诱导微区相变法在铌酸钾钠压电植入材料表面构建此微区结构。利用开尔文探针显微镜表征的两区域的电势差异证明未辐照区的电势高于辐照区,表明未辐照区电荷密度较高。压电性不同的微区结构可间接反映两区域输出的电信号强度不同,进而在植入材料表面形成周期性微区电场,以仿生模拟骨组织所处的微区电场环境。体外仿生矿化实验表明电信号响应强度不同的微区结构对磷灰石的沉积具有调控作用,电荷密度高的未辐照区沉积较多的磷灰石。该初步的探索性实验为压电植入材料具有良好的促成骨性能提供良好的基础,仿生微区电场的设计思想也为植入材料的设计提供了新的思路。