研发具有人骨特性的生物工程骨一直是骨科领域研究的热点。但是,目前绝大多数的生物工程骨的相关研究一直着重于材料与人骨的“成分”仿真,而对人骨的“压电特性”研究不足。“压电特性”是指材料在收到压缩或牵张应力时,其表面能够产生电荷,从而对界面周围的组织产生生物学影响。研究已经证实:人体骨骼是一种特殊的“压电材料”,存在生物电现象以及压电特性。因此,能否研发一种同时在“材料学成分”和“生物学功能”均接近人体骨的仿真型骨替代材料,成为骨修复重建领域的研究新方向。本课题组前期研究已经证实:（1）钛酸钡（BaTiO₃）是一种生物无毒的压电材料,钛酸钡-羟基磷灰石复合材料（BaTiO₃-HA）在电场中极化后能够获得与骨组织类似的压电特性;（2）材料成分为9:1的BaTiO₃-HA复合材料具有较其他材料成分更高的抗压强度、良好的生物活性和生物相容性;（3）材料成分为9:1的BaTiO₃-HA复合材料在极化后所产生的电荷对成骨细胞具有促进作用。本研究在这些研究基础上,进一步明确以下科学问题:（1）BaTiO₃-HA复合材料对成骨细胞的促进作用,是BaTiO₃材料成分所致,还是其表面电荷所致?（2）具有多少压电系数的BaTiO₃-HA复合材料能够对成骨细胞发挥最佳的促进作用?（3）生理载荷下,运动频率是否对BaTiO₃-HA复合材料与骨组织愈合的具有影响?研究目的:通过离体细胞学及在体动物实验,明确batio3-ha复合材料对成骨细胞作用的机制,筛选出刺激成骨细胞粘附生长的最佳材料带电量,探索其对骨缺损修复的效果及影响因素,为研发具有“压电特性”的骨修复重建材料提供实验依据。研究内容:实验一、batio3-ha复合材料对成骨细胞作用机制的研究在前期研究基础上,制备质量比为9:1的batio3-ha复合材料和纯batio3材料。通过电场对两种材料进行极化处理,获得具有不同材料学和电学属性的三种材料:a组（不带电荷的batio3-ha）、b组（带电荷的batio3-ha）、c组（带电荷的纯batio3）。对上述三组材料进行成骨细胞表面共培养,然后:（1）采用噻唑蓝比色法（mtt）测试接种细胞共培养后1、4、7天材料对成骨细胞增殖的影响;（2）采用碱性磷酸酶（alp）染色及alp定量测试接种细胞共培养后1、4、7天材料对成骨细胞分化的影响;（3）用扫描电镜（sem）和共聚焦显微镜（clsm）观察接种细胞4天后材料表面的细胞粘附及形态;（4）采用流式细胞仪与tunel染色对材料表面接种4天后的成骨细胞凋亡情况进行检测;（5）采用realtime–pcr检测材料表面接种4天后的成骨相关基因表达,包括alp、collagen1、runx2、rhoa、gusb以及rpl19;（6）采用western-blot检测成骨细胞相关基因蛋白的表达,选择opg、collagenⅠ、rankl、runx2及osteocalcin（ocn）进行检测。实验二、batio3-ha复合材料的最佳带电量的体外筛选研究在不同极化强度（0.5kv/mm、1kv/mm、1.5kv/mm）处理batio3-ha（9:1）复合材料,获得不同带电量的batio3-ha复合材料,并将其分为:a组（低带电量组,剩余极化强度pr=54.37μc/n）、b组（中带电量组,pr=89.54μc/n）、c组（高带电量组,pr=153.50μc/n）、d组（不带电荷的纯ha组）,分别进行:（1）采用噻唑蓝比色法（mtt）测试接种细胞共培养后1、4、7天材料对成骨细胞增殖的影响;（2）采用碱性磷酸酶（alp）染色及alp定量测试接种细胞共培养后1、4、7天材料对成骨细胞分化的影响;（3）用扫描电镜（sem）和共聚焦显微镜（clsm）观察接种细胞4天后材料表面的细胞粘附及形态;（4）采用流式细胞仪与tunel染色对材料表面接种4天后的成骨细胞凋亡情况进行检测。实验三、batio3-ha复合材料及运动刺激对兔桡骨缺损修复效果的实验研究根据实验二的研究结果,制备中空圆柱形batio3-ha（9:1）复合材料（高度12mm,直径5mm）。选取成年雄性新西兰大白兔40只,建立双侧前臂中段骨缺损模型（12mm）。根据植入材料是否带电以及运动刺激的不同,随机分为四组:a组（带电荷+运动刺激组）、b组（不带电荷+运动刺激组）、c组（带电荷、非运动刺激组）、d组（不带电荷+非运动刺激组）。术后2周起,给予运动刺激组每天1次、每次持续30分钟的运动刺激。分别于术后6周、12周取材,采用v-g染色和盐酸四环素和钙黄绿素荧光双标检测观察不同组别之间新骨长入情况和骨矿化沉积速率情况。研究结果:实验一:（1）mtt结果显示:在第1天与第4天时极化组细胞增殖量od值明显高于其余两组（p<0.05）,但在第7天时无统计学差异;（2）alp活性检测结果与mtt结果相似,在第一天与第四天时极化组细胞活性明显高于其余各组（p<0.05）,但在第七天时各组细胞活性无统计学差异;（3）扫描电镜显示:a组（不带电荷的batio3-ha）细胞相比于b组（带电荷的batio3-ha）与c组（带电荷的纯batio3）形态更好、更加饱满并有大量伪足伸出;罗丹明标记的鬼笔环肽对细胞骨架进行染色并定量分析细胞面积与细胞密度,结果显示a组与b组之间差异显著（p<0.05）,并且a组较b、c两组有着更好的细胞铺开面积与细胞数量;（4）流式细胞仪细胞凋亡实验与tunel染色结果表明a组相比于b组、c组显著减少细胞凋亡（p<0.05）;（5）realtime-pcr结果显示,成骨相关基因alp、col1a1及runx2的表达上a组明显高于b组与c组（p<0.05）,而在rhoa、gusb以及rpl19的基因表达上无统计学差异。（6）wstern-blot检测结果显示在opg、collagen1、rankle及runx2蛋白表达上a组明显优于其余b组并有统计学差异（p<0.05）。实验二:（1）mtt结果显示:第1天与第4天,中带电量组（pr=89.54μc/n）和高带电量组（pr=153.50μc/n）细胞增殖量od值明显高于低带电量组（pr=54.37μc/n）（p<0.05）,但在第7天时中、高带电量组之间无统计学差异;（2）alp活性检测结果与mtt结果相吻合,在第1天与第4天时中带电量组和高带电量组细胞活性明显高于低带电量组（p<0.05）,但在第7天时各组细胞活性无明显差异。（3）扫描电镜检测结果显示:中带电量组和高带电量组的细胞形态要优于低压电系数材料组,中带电量组和高带电量组之间并无明显差异,HA组的细胞形态最好;罗丹明标记的鬼笔环肽对细胞骨架进行染色并定量分析细胞面积与细胞密度,结果显示中带电量组和高带电量组要高于低压电系数材料组（P<0.05）,然而中带电量组和高带电量组及纯HA组之间并无明显差异;（4）流式细胞仪细胞凋亡实验结果表明中带电量组和高带电量组材料相比于低带电量组材料组显著减少细胞凋亡（P<0.05）。实验三:V-G染色结果显示12周时,A组（极化+运动刺激组）的新骨长入量明显高于B组（极化、非运动刺激组）（P<0.05）,A组与B组的新骨长入量高于C组（非极化+运动刺激组）和D组（非极化+非运动刺激组）（P<0.05）。荧光双标法测量骨矿化沉积率结果显示在6周、12周时A组明显高于B组（P<0.05）,B组明显高于D组并且有统计学差异（P<0.05）,C组与D组之间无统计学差异（P>0.05）。研究结论:BaTiO₃-HA复合材料对成骨细胞的促进作用主要来源于材料表面所携带的负电荷,并且电荷必须达到足够数量（Pr=89.54μc/N以上）才能够发挥更好的促进成骨细胞活性的功能。BaTiO₃-HA复合材料在运动刺激中产生的压电效应,能够更好的促进新骨生成,加速骨愈合。