大段骨缺损、骨折不愈合和骨不连等的修复治疗是临床上面临的难题之一。人工骨修复材料是除自体骨和异体骨移植之外目前临床采用的主要治疗手段，但骨诱导活性不足和成骨速度慢等问题直接影响其骨修复的效果。重组人骨形态发生蛋白-2(rhBMP-2)等生长因子的装载是提升人工骨修复材料骨诱导活性的有效方法，近年来得到了国内外学者的广泛关注。然而，体内生物活性低和使用剂量高是目前rhBMP-2使用过程中面临的突出问题。究其根本原因在于对rhBMP-2固载过程中微观结构和诱导成骨活性的变化规律不够深入了解，导致对其在材料中生物活性调控缺乏有效的手段。因此，研究和了解装载过程中rhBMP-2分子结构和生物活性的变化规律显得尤为重要。本论文以具有一定临床应用基础的钙磷基骨修复材料为基体，研究材料的表面特性、元素掺杂以及生物仿生锚定等对rhBMP-2分子结构和诱导成骨活性影响的基本规律，并从骨形态发生蛋白的受体（BMPRs）的表达、BMPRs与rhBMP-2的结合能力以及rhBMP-2在细胞内成骨信号通路表达等方面探索调控rhBMP-2骨诱导活性的相关机理。围绕上述研究内容取得了以下创新研究结果:　　(1)纳米羟基磷灰石表面特性对吸附的rhBMP-2结构和成骨活性的影响　　材料纳米尺度表/界面特性对蛋白质的微观结构、稳定性以及蛋白质-蛋白质相互作用有着直接的影响。为此，本研究利用磨砂和烧结等处理方法制备具有不同表面粗糙度和材料结晶度的纳米羟基磷灰石(HAP)涂层材料，并探索材料表面特性对rhBMP-2的吸附动力学、分子结构和生物活性的影响规律。通过X射线衍射、X射线能谱、红外光谱和原子力显微镜等表征材料的结晶形态、元素组成和表面形貌等特性。利用石英晶体微天平(QCM-D)检测rhBMP-2在HAPs表面的吸附质量和粘弹性。结果表明，与光滑HAP表面相比，粗糙度大的HAP表面(HAP-Pol)有利于rhBMP-2的吸附，结晶度高的HAP表面(HAP-Sin)吸附的rhBMP-2质量最少。与HAP和HAP-Sin相比，在HAP-Pol表面吸附的rhBMP-2粘弹势能最高，分子构象更松散，诱导成骨活性最好。分子动力学(MD)模拟证实，与HAP和HAP-Sin相比，在HAP-Pol表面吸附rhBMP-2的分子构象更松散，分子势能更低，吸附状态更稳定。此外，HAP-Pol表面吸附的rhBMP-2与细胞表面骨形态发生蛋白受体-IA(BMPR-IA)具有较强的结合能力，从而呈现较高的诱导成骨活性。　　(2)镁掺杂纳米羟基磷灰石对吸附的rhBMP-2结构和成骨活性的影响　　考虑到镁离子(Mg2+)在人体中广泛存在，因此通过微波合成技术将Mg掺杂到HAP纳米颗粒(Mg-HAP)中，利用电泳沉积技术将HAP和Mg-HAP纳米颗粒沉积在QCM-D芯片表面，研究Mg掺杂对rhBMP-2的吸附动力学、分子结构和生物活性的影响规律。采用X射线衍射、X射线能谱、红外光谱、透射电子显微镜和原子力显微镜等分别表征材料的结晶相、表面元素分布、功能基团、结晶形貌和表面粗糙度等特性。结果表明，与HAP表面相比，Mg-HAP表面rhBMP-2的吸附质量略有下降，但Mg-HAP表面可促进rhBMP-2与BMPR-IA的结合及细胞表面BMPR-IA的表达，因而显著提高rhBMP-2的骨诱导活性。MD模拟结果证明，rhBMP-2主要以Side1、Side3和Side4的分子取向吸附在Mg-HAP表面，并且rhBMP-2分子中的半胱氨酸二硫键的稳定性更好，具有较高的生物活性。　　(3)基于肝素/阿仑磷酸在磷酸钙骨水泥表面生物锚定rhBMP-2　　基于肝素与rhBMP-2特定的结合域，以及阿仑磷酸与钙磷盐较强的结合力，通过生物仿生法将rhBMP-2锚定在肝素-阿仑磷酸(AH)改性的CPC支架材料(CPC-AH)表面。首先通过NHS/EDC酰胺反应，将阿仑膦酸接枝到肝素分子主链，并利用(P-C-P)键与钙离子的结合作用将AH涂覆在CPC支架材料表面。通过红外光谱和核磁共振检测AH的特征官能团和质子谱图。通过X射线能谱表征CPC和CPC-AH材料的表面元素分布。利用酶联免疫吸附法测量rhBMP-2在CPC和CPC-AH支架材料表面的吸附和释放动力学。结果表明，与CPC相比，CPC-AH支架材料能够更有效地控制rhBMP-2在体内外的缓释，而且生物锚定的rhBMP-2具有更高的骨诱导活性。小鼠异位成骨结果证实，与CPC/rhBMP-2相比，CPC-AH/rhBMP-2支架材料可诱导产生更多更致密的异位新生骨组织。　　(4)基于硫酸软骨素/多巴胺在磷酸钙骨水泥表面生物锚定rhBMP-2　　作为细胞外基质的主要成分之一，硫酸软骨素(CS)是临床上治疗关节炎的有效药物，且与rhBMP-2存在特殊非共价键相互作用。为此，本研究以聚多巴胺(PDA)为化学桥制备CS表面改性的CPC支架材料(CPC-PDA-CS)，并进一步在其表面生物锚定rhBMP-2。通过X射线光电子能谱和扫描电子显微镜分别表征CPC、CPC-PDA和CPC-PDA-CS支架材料的表面元素组成和表面形貌。采用酶联免疫吸附法和免疫荧光染色法测定rhBMP-2在CPC、CPC-PDA和CPC-PDA-CS支架材料表面的吸附和释放动力学。结果表明，与CPC和CPC-PDA相比，CPC-PDA-CS能够更好地控制rhBMP-2在体内外的释放动力学，并且在CPC-PDA-CS表面锚定的rhBMP-2与BMPRs的结合能力更强。此外，CPC-PDA-CS/rhBMP-2能够显著促进细胞表面BMPRs的表达，因而生物锚定在CPC-PDA-CS表面的rhBMP-2具有更高的诱导成骨活性。小鼠异位成骨结果证实，与CPC/rhBMP-2和CPC-PDA/rhBMP-2相比，CPC-PDA-CS/rhBMP-2支架材料可诱导产生更多更致密的异位新生骨组织。