使用生物材料修复受损组织的历史要追溯到史前,古老的人类已经明白如何利用骨头、动物牙齿甚至木头等天然有机和无机材料来代替器官或部分器官从而改善他们的健康状况。根据文献,伊特鲁里亚文明(Etruscan civilization)学会使用动物牙齿和黄金制成的混合材料来弥补患者缺失的牙齿以来,人类使用生物材料已经有2600多年的历史了。生物材料的材质随着人类社会和科技水平的不断发展也在不断地更新换代,其种类和功能也越来越丰富。黄金是古老文明中最早使用的“生物材料”之一,有明确证据显示2000年前智慧的中国和罗马人民已经学会使用金子修复受损的牙齿。随着当今社会创伤,肿瘤,畸形,退化和老龄化的急剧增加,外科重建手术材料的需求亦是与日俱增。临床治疗效果表明自体骨移植修复骨缺损疗效好,但是供区的并发症和有限的来源限制了其临床的使用,同种异体骨移植和异种骨移植材料也同样因存在病原体传播和免疫反应等潜在危险而使矫形外科医生在使用中心有余悸。随着材料技术的不断发展,不锈钢、钛合金在骨科领域的应用越来越广泛,当人工关节假体或钢板植入到骨缺损或骨折区域后这些器械提供力学支撑和结构加固,并且,由于分担载荷导致周围骨组织承受的应力减少。根据Wolff定律,由于骨骼应力负荷减少,导致植入物周围骨质发生骨吸收和丢失,这种金属植入物周围骨的“应力遮挡”现象长期以来一直受到重视。为了减少金属骨科植入物周围的应力遮挡和相关的骨丢失,人们开始研究更柔顺的聚合物复合材料。如果植入物的弹性刚度与骨相当,那么这种所谓的“等弹性”假体应能提高骨的应力负荷,从而减少应力遮挡,延长植入物寿命、避免松动失效、避免骨丢失。聚醚醚酮(PEEK,Polyether ether ketone)作为广泛用于骨科和脊柱植入物聚芳醚酮(PAEK)聚合物家族的一员,其“等弹性”特征受到广泛关注,聚醚醚酮材料具有耐腐蚀、耐高温、无毒性等众多特点的同时还具有耐疲劳特点,但是PEEK属于疏水的生物惰性材料,其骨整合能力不佳,而且PEEK材料熔点高(熔点340℃左右),对制造工艺要求较高。本研究围绕如何提高PEEK材料表面生物活性、提高骨整合能力、改善表面形貌、制备促成骨涂层和连续多孔结构同时保持良好的力学性能等问题进行研究。第一部分:聚醚醚酮是最有前途的骨科和牙科植入材料,具有接近骨骼的力学性能、优良的抗疲劳性、X射线通透性和良好的生物相容性。但由于生物惰性,其骨传导和骨整合能力有限。对聚醚醚酮进行表面改性是改善其生物相容性和骨整合能力同时保持其大部分良好性能的一种选择。本部分采用一种简单的化学反应程序,将骨生长肽(OGP)通过共价键接枝在PEEK材料表面,构建生物活性界面。具体过程如下:将聚醚醚酮表面羟基化,用N,N’-琥珀酰亚胺基碳酸酯(DSC)活化后与OGP上的伯胺反应,完成共价键接枝。采用X射线光电子能谱(XPS)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、接触角测定、体内和体外实验评价等方法对PEEK的功能化表面进行了表征。OGP功能化PEEK表面能显著促进小鼠胚胎成骨细胞前体细胞(MC3T3-E1)的黏附、增殖、碱性磷酸酶(ALP)活性和矿化。采用大鼠胫骨缺损模型中,显微CT分析表明,OGP涂层明显促进了周围新骨的形成。体外和体内实验结果表明,与未改性PEEK相比,共价键接枝OGP的PEEK表面可以增强种植体周围的新骨形成。第二部分:本部分介绍了一种制备羟基磷灰石(HA)涂层多孔近球形盐珠的新工艺,该工艺能够在多孔PEEK的孔隙内壁表面制备HA涂层。改方法从中华民族传统美食汤圆和芝麻糯米球获得灵感,糯米粉作为粘合剂,氯化钠粉末和糯米粉的混合的糊状物采用滚动造粒法制备的新型球形氯化钠致孔剂和羟基磷灰石涂层的球形盐珠致孔剂。这个过程很简单,而且可重复。糯米粉等有机成分从球形盐珠中热分解后在球形盐珠内留下连通孔隙,当致孔剂去除过程中这些孔隙使得水更容易进入球形盐珠内部,并加速致孔剂从支架中去除。在支架制备过程中,在致孔剂表面的HA涂层会熔融固定在PEEK材料表面,在盐溶解去除后形成内部涂层的多孔结构。这种工艺所制备的连通多孔的羟基磷灰石涂层支架在不影响材料基质力学性能的情况下,在体内具有良好的促矿化和骨整合能力。通过上述研究我们在以下方面改善了目前PEEK材料存在的问题:1.在PEEK表面用化学方法通过共价键接枝了OGP肽,获得了良好的生物活性和促成骨活性的PEEK界面,改善了PEEK材料表面惰性;2.从中华民族的传统美食汤圆和芝麻糯米球获得灵感并制备出了球形氯化钠致孔剂和表面HA涂层的球形氯化钠致孔剂,获得了耐高温、低成本和安全无毒的致孔剂;3.设计和制备了连通多孔PEEK支架和具有HA涂层的多孔PEEK支架,解决了多孔PEEK支架材料孔隙连通性欠佳的问题,同时解决了多孔PEEK材料表面涂层制备工艺上的困难,为PEEK材料的进一步临床应用提供了思路。