羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2，HA]具有良好的生物相容性和骨传导性，是临床上广泛应用的硬组织替代材料。人工合成羟基磷灰石的结构和组分与骨组织羟基磷灰石存在很大的差异。人体硬组织的无机矿物具有精细的多级有序结构，且含有多种微量元素离子，如F-、CO32-、Sr2+、Zn2+、Al3+、SiO44+、Na+以及稀土离子等。这种多级有序结构和微量离子在骨组织的生化过程中起着重要作用。论文通过有序结构的设计和离子掺杂改性，合成与人体硬组织的结构和成分相似的羟基磷灰石，研究其生物学性能包括相容性、成骨性、抑菌性等。本论文的研究内容和结果如下:　　(1)用一种不添加有机分子的简单方法，制备了具有等级有序结构的HA。长为100nm、直径为20nm的HA纳米棒有序排列，组装成微米级的片状颗粒。通过XRD、FT-IR、SEM和TEM等表征手段研究了反应过程中的产物，对过程中的晶体结构转变关系和HA晶体生长机理进行了讨论。在高分辨透射电镜下首次观察到前驱相DCPA向HA的相转化界面，两者之间的晶格取向关系是((1)12)DCPA//(112)HA，[110]DCPA//[(1)10]HA。HA的等级有序结构源于在前驱相DCPA上进行的直接拓扑转变。本研究结果对设计等级有序组装HA的合成有重要的启示作用。另外，所提出的具有结晶学取向关系的DCPA-HA转变揭示了可能的生物矿化机制。　　(2)通过计算和实验系统研究了不同浓度Al掺杂HA的结构演变和化学状态[Ca10-1.5xAlx(PO4)6(OH)2，Al-HA]。计算和实验研究结果均表明，Al-HA具有局部畸变的晶体结构，较高的能量状态以及重新分配的表面电荷。Al掺杂导致Ca2+空位的产生以及OH-和[PO4]3-链的位移和旋转，从而破坏了HA晶体结构的规律性和完整性，使体系的总能量提高，稳定性降低。因此，Al掺杂HA更容易被破骨细胞降解从而加速骨吸收过程。在低Al含量下，HA的结晶度和稳定性较高，但随着Al含量的增加，Al-HA的结晶度和稳定性迅速降低。硬组织中的Al在低含量下会促进HA被破骨细胞吸收的同时促进成骨细胞的增殖，从而使矿物质代谢加速。而过量的Al破坏了HA的结构，使HA稳定性减低，导致骨吸收过度，使骨代谢发生异常。本研究补充了对Al诱导骨疾病机制的理解，为发展骨疾病的预防和治疗提供新的见解。电荷密度分布显示Ca2+空位暴露在Al-HA的(010)面，使Al-HA表面富集负电荷，导致Zeta电位趋于负值。此外，Ca2+空位还提供了对溶菌酶的吸附位点，溶菌酶分子通过静电作用吸附在Al-HA表面并产生抗菌活性，为解决HA植入体的感染问题提供了一种有前途的方法。同时，这一结果揭示了Al在牙齿中的可能作用，牙齿中的Al有利于牙齿从唾液中吸附溶菌酶，从而促进牙齿的抗菌膜的形成。　　(3)制备了Sr离子掺杂的HA[Ca10-xSrx(PO4)6(OH)2，Sr-HA]，探讨了Sr离子掺杂对HA晶体结构的影响，通过第一性原理判定Sr离子在HA晶格中的取代位置，并通过体外测试研究Sr-HA对成骨细胞的作用。XRD峰位左移表明，Sr离子取代Ca离子的位置使晶格发生膨胀。计算研究结果表明，Sr取代Ca(1)位置具有更低的能量状态，且计算得到的XRD图谱与实验XRD图谱一致，因而Sr离子优先取代Ca(1)位置。细胞实验结果发现，含Sr离子的HA材料对成骨细胞的增殖具有促进作用，其促进作用随着Sr离子含量的增加而增大。　　(4)参照微量元素在人体硬组织中的含量，合成了微量三元离子Si、Sr和F共掺杂的羟基磷灰石Si+Sr+F-HA(Si:约56ppm;Sr:约87ppm;F:约190ppm)。XRD结果表明所得产物为HA相。HA与Si+Sr+F-HA样品具有相同的等级结构。体外细胞实验结果表明，Si+Sr+F-HA具有良好的生物相容性，能促进成骨细胞MG63的粘附和增殖，还具有一定的抗菌性。虽然Si、Sr和F的掺杂量非常低，但是在三种有益元素的相互作用下，材料的生物活性和抗菌性仍有明显的提高，表明微量功能元素在硬组织植入物材料的应用方面有重要意义。　　(5)水热法合成了多元离子（Si、Sr、F、Mg、Zn、Na、K、Al和C）掺杂的HA粉体。XRD结果表明，所得产物为HA相。SEM结果表明，产物具有等级有序结构。抗菌实验结果表明，多元离子掺杂HA对大肠杆菌具有良好的抗菌作用。体外细胞实验结果表明，多元离子掺杂HA粉体能显著促进相关成骨基因的表达，并促进成骨细胞的分化和矿化作用。利用等离子喷涂技术制备了钛基多元离子掺杂HA涂层。等离子喷涂过程中较高的温度导致涂层中出现了TCP和CaO杂相。体外细胞结果实验表明，多元离子掺杂HA涂层能显著促进成骨细胞的粘附和增殖。所制备的仿骨成分多元离子掺杂HA材料同时具备优良的生物活性和抗菌性，是一种有应用前景的硬组织植入体材料。