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骨组织作为一种动态的承重性结缔组织，在整个生命周期内都会重塑，具有一定的自愈能力。然而由骨质疏松、骨肿瘤切除等病理性因素引起的骨缺损或者大段骨缺损难以自发愈合，需要进行外科骨缺损修复治疗。随着中国老龄化人口的增多，由骨质疏松等原因造成的骨缺损患病率逐年提高，严重影响了患者的正常生活，因此有效的外科骨重建成为了临床医学领域的研究热点。目前临床上对于骨缺损的治疗主要采取自体骨或同种异体骨移植。自体骨需从患者自身部位获取，不仅供应来源十分有限、产生二次手术给患者带来巨大的痛苦，而且可加工性差、形状不易控制，从而难以实现与缺损处的本体骨紧密贴合，影响骨整合。同种异体骨的来源比自体骨广泛，能够提供足够的力学支撑，但其存在免疫排斥的风险，容易造成感染和慢性疼痛，给患者带来更大的痛苦和更高的治疗成本。
采用骨组织工程技术进行骨修复与重建是当前临床医学的发展趋势，而设计高度模拟骨组织结构的支架材料一直是骨组织工程技术的研发核心。由于天然骨细胞外基质含有60-70wt.%的无机成分，且具有纳米纤维网络结构，因此由无机纳米纤维构建的三维支架可实现对骨细胞外基质的高度模拟，有望成为骨组织工程的候选材料。但无机纳米纤维普遍为脆性的，使其三维构建具有一定的挑战性。此外，针对复杂情况下的骨缺损，支架除了需要高度模拟骨细胞外基质的结构外，还需具备相应的性能来要满足复杂骨缺损修复的临床需求：针对不规则骨缺损，支架需具备微创性和适应性以实现不规则骨缺损的骨整合；针对骨-软组织界面骨缺损，支架需具备多样性结构以匹配界面组织的多样性环境；针对骨质疏松骨缺损，支架需具备良好的生物矿化活性，促进缺损部位的骨形成。
本论文重点阐述了适用于不同类型骨缺损的SiO2纳米纤维基三维弹性支架的构建及骨修复性能研究。本研究首先以柔性的SiO2纳米纤维为主体，以生物质水凝胶为黏结剂，通过“纤维均质分散-冷冻干燥”技术实现了SiO2纳米纤维三维弹性支架的构建。在此基础上，系统研究了SiO2纳米纤维三维支架的力学性能，阐明了支架的弹性恢复机制，并研究了支架对不同形状骨缺损的适应性以及体内外的成骨能力。进一步针对单一结构支架难以满足软骨下骨缺损处组织环境多样性的问题，通过调控纳米纤维分散液和生物质水凝胶溶液的灌注比例，制备了SiO2纳米纤维呈梯度分布的梯度支架，并研究了梯度支架对干细胞的双向诱导分化性能。最后，针对骨质疏松骨缺损区域的骨形成缓慢问题，通过在SiO2纳米纤维中引入CaO，制备了兼具柔性和生物活性的SiO2-CaO纳米纤维，并构建了具有高生物活性的纳米纤维支架，研究了该支架对骨质疏松骨缺损的修复性能。所取得的主要研究成果总结如下：
（1）针对普通的支架难以适应不规则骨缺损的问题，通过溶胶-凝胶静电纺，制备了具有柔性的SiO2纳米纤维，随后以柔性SiO2纳米纤维为骨架，海藻酸盐为黏结剂，通过“纤维均质分散-冷冻干燥-离子交联”，构建了SiO2纳米纤维/海藻酸盐（SiO2NF/SA）三维弹性支架。研究了冷冻干燥成型过程，明确了支架多级结构的形成机制。接下来系统研究了影响SiO2NF/SA支架结构稳定性和力学性能的因素，对支架在水中的回弹机制进行了分析，研究结果表明：30wt.%SiO2纳米纤维含量可使体积密度为10mg cm-3的SiO2NF/SA支架结构稳定；支架的杨氏模量E与体积密度η遵从E~η2的关系，具有类似于高度开孔材料的力学压缩行为；此外支架还具有零泊松比、良好的耐久性、快速回弹性（800%min-1）、可注射性以及形状记忆性，有望用于微创手术。但在磷酸盐缓冲液（PBS）或细胞培养基中会发生解交联，导致SiO2NF/SA支架无法长期用于细胞培养环境，需要进一步的设计和改进。
（2）针对SiO2NF/SA支架无法长期用于细胞培养的问题，通过选用壳聚糖作为纳米纤维三维支架的黏结剂，经“纤维均质分散-原位交联-冷冻干燥”，构建了SiO2纳米纤维/壳聚糖（SiO2NF/CS）三维弹性支架，克服了SiO2NF/SA支架在PBS中的不稳定性。随后分析了SiO2NF/CS支架的多级形貌结构及力学性能，检验了SiO2NF/CS支架体外的生物相容性和对人间充质干细胞（hMSC）分化行为的影响规律，实验结果表明：支架孔壁的纳米纤维结构有利于hMSC的黏附，而微米多孔结构有助于细胞向支架内部渗透，促进细胞增殖；支架的无机/有机组成、多级形貌结构以及与胶原骨组织相匹配的硬度有助于hMSC向成骨细胞分化。进一步在兔下颌骨构建了不同形状的骨缺损模型，证实了SiO2NF/CS支架良好的回弹性使其可在体内自适应骨缺损，实现手术微创。在此基础上，将支架植入大鼠颅骨缺损，颅骨修复结果表明SiO2NF/CS支架的植入可以提高新生骨的骨体积分数和骨密度，加强了成骨相关蛋白和血管相关蛋白的表达，促进骨和血管形成。
（3）针对结构单一的SiO2NF/CS支架无法满足骨-软组织界面组织环境多样性的问题，通过调控SiO2纳米纤维分散液和壳聚糖溶液的注入比例，制备了在形貌结构、力学性能、矿化性能上呈梯度分布的梯度SiO2NF/CS支架。进一步研究了梯度支架各区段的形貌结构、力学性能和矿化性能，并考察了hMSC在梯度支架上的分化行为。实验结果表明：随着SiO2NF/CS比例的逐渐增加，支架的孔壁由光滑的实心壁逐渐向粗糙的纳米纤维网络转变，支架的压缩应力和压缩模量逐渐增大，在人体模拟液中的矿化更快。基于物理信号诱导分化原理，hMSC在梯度支架各区段的物质组成、表面纳米形貌以及硬度的影响下，在无SiO2纳米纤维的区段呈球形，趋于向软骨分化，而在SiO2纳米纤维含量高的区段呈牵伸状态，趋于向成骨分化，表明该梯度支架可诱导hMSC向成骨和软骨双向分化，在软骨下骨缺损的修复中具有潜在应用价值。
（4）针对SiO2纳米纤维生物矿化活性低，难以满足骨质疏松骨缺损高效修复的问题，通过将CaO引入SiO2分子网络中，并调控SiO2/CaO的比例及煅烧温度，制备了兼具柔性和生物活性的SiO2-CaO纳米纤维。研究了纳米纤维的物质组成和结晶形态对其柔性和生物活性的影响规律，掌握了制备柔性和生物活性SiO2-CaO纳米纤维的临界条件。随后将SiO2-CaO纳米纤维构建成了SiO2-CaO纳米纤维/壳聚糖（SiO2-CaO NF/CS）三维支架，并研究了纤维柔性与支架形貌结构、力学性能的关系，结果表明：具有柔性的纳米纤维所构建的SiO2-CaO NF/CS三维支架的力学性能更好，支架的孔壁结构呈纤维网络状。支架的弹性恢复性能分析发现支架可适应于各种形状的缺损，便于微创手术的使用。在此基础上，考察了支架的体外生物活性和生物相容性，并进一步在大鼠体内构建了骨质疏松模型，将载有hMSC的支架植入骨质疏松大鼠的颅骨缺损进行体内骨修复，实验结果表明：具有良好生物活性和生物相容性的SiO2-CaO NF/CS支架与hMSC协同作用，可以提高新生骨生成能力，同时促进缺损区血管的形成。
采用骨组织工程技术进行骨修复与重建是当前临床医学的发展趋势，而设计高度模拟骨组织结构的支架材料一直是骨组织工程技术的研发核心。由于天然骨细胞外基质含有60-70wt.%的无机成分，且具有纳米纤维网络结构，因此由无机纳米纤维构建的三维支架可实现对骨细胞外基质的高度模拟，有望成为骨组织工程的候选材料。但无机纳米纤维普遍为脆性的，使其三维构建具有一定的挑战性。此外，针对复杂情况下的骨缺损，支架除了需要高度模拟骨细胞外基质的结构外，还需具备相应的性能来要满足复杂骨缺损修复的临床需求：针对不规则骨缺损，支架需具备微创性和适应性以实现不规则骨缺损的骨整合；针对骨-软组织界面骨缺损，支架需具备多样性结构以匹配界面组织的多样性环境；针对骨质疏松骨缺损，支架需具备良好的生物矿化活性，促进缺损部位的骨形成。
本论文重点阐述了适用于不同类型骨缺损的SiO2纳米纤维基三维弹性支架的构建及骨修复性能研究。本研究首先以柔性的SiO2纳米纤维为主体，以生物质水凝胶为黏结剂，通过“纤维均质分散-冷冻干燥”技术实现了SiO2纳米纤维三维弹性支架的构建。在此基础上，系统研究了SiO2纳米纤维三维支架的力学性能，阐明了支架的弹性恢复机制，并研究了支架对不同形状骨缺损的适应性以及体内外的成骨能力。进一步针对单一结构支架难以满足软骨下骨缺损处组织环境多样性的问题，通过调控纳米纤维分散液和生物质水凝胶溶液的灌注比例，制备了SiO2纳米纤维呈梯度分布的梯度支架，并研究了梯度支架对干细胞的双向诱导分化性能。最后，针对骨质疏松骨缺损区域的骨形成缓慢问题，通过在SiO2纳米纤维中引入CaO，制备了兼具柔性和生物活性的SiO2-CaO纳米纤维，并构建了具有高生物活性的纳米纤维支架，研究了该支架对骨质疏松骨缺损的修复性能。所取得的主要研究成果总结如下：
（1）针对普通的支架难以适应不规则骨缺损的问题，通过溶胶-凝胶静电纺，制备了具有柔性的SiO2纳米纤维，随后以柔性SiO2纳米纤维为骨架，海藻酸盐为黏结剂，通过“纤维均质分散-冷冻干燥-离子交联”，构建了SiO2纳米纤维/海藻酸盐（SiO2NF/SA）三维弹性支架。研究了冷冻干燥成型过程，明确了支架多级结构的形成机制。接下来系统研究了影响SiO2NF/SA支架结构稳定性和力学性能的因素，对支架在水中的回弹机制进行了分析，研究结果表明：30wt.%SiO2纳米纤维含量可使体积密度为10mg cm-3的SiO2NF/SA支架结构稳定；支架的杨氏模量E与体积密度η遵从E~η2的关系，具有类似于高度开孔材料的力学压缩行为；此外支架还具有零泊松比、良好的耐久性、快速回弹性（800%min-1）、可注射性以及形状记忆性，有望用于微创手术。但在磷酸盐缓冲液（PBS）或细胞培养基中会发生解交联，导致SiO2NF/SA支架无法长期用于细胞培养环境，需要进一步的设计和改进。
（2）针对SiO2NF/SA支架无法长期用于细胞培养的问题，通过选用壳聚糖作为纳米纤维三维支架的黏结剂，经“纤维均质分散-原位交联-冷冻干燥”，构建了SiO2纳米纤维/壳聚糖（SiO2NF/CS）三维弹性支架，克服了SiO2NF/SA支架在PBS中的不稳定性。随后分析了SiO2NF/CS支架的多级形貌结构及力学性能，检验了SiO2NF/CS支架体外的生物相容性和对人间充质干细胞（hMSC）分化行为的影响规律，实验结果表明：支架孔壁的纳米纤维结构有利于hMSC的黏附，而微米多孔结构有助于细胞向支架内部渗透，促进细胞增殖；支架的无机/有机组成、多级形貌结构以及与胶原骨组织相匹配的硬度有助于hMSC向成骨细胞分化。进一步在兔下颌骨构建了不同形状的骨缺损模型，证实了SiO2NF/CS支架良好的回弹性使其可在体内自适应骨缺损，实现手术微创。在此基础上，将支架植入大鼠颅骨缺损，颅骨修复结果表明SiO2NF/CS支架的植入可以提高新生骨的骨体积分数和骨密度，加强了成骨相关蛋白和血管相关蛋白的表达，促进骨和血管形成。
（3）针对结构单一的SiO2NF/CS支架无法满足骨-软组织界面组织环境多样性的问题，通过调控SiO2纳米纤维分散液和壳聚糖溶液的注入比例，制备了在形貌结构、力学性能、矿化性能上呈梯度分布的梯度SiO2NF/CS支架。进一步研究了梯度支架各区段的形貌结构、力学性能和矿化性能，并考察了hMSC在梯度支架上的分化行为。实验结果表明：随着SiO2NF/CS比例的逐渐增加，支架的孔壁由光滑的实心壁逐渐向粗糙的纳米纤维网络转变，支架的压缩应力和压缩模量逐渐增大，在人体模拟液中的矿化更快。基于物理信号诱导分化原理，hMSC在梯度支架各区段的物质组成、表面纳米形貌以及硬度的影响下，在无SiO2纳米纤维的区段呈球形，趋于向软骨分化，而在SiO2纳米纤维含量高的区段呈牵伸状态，趋于向成骨分化，表明该梯度支架可诱导hMSC向成骨和软骨双向分化，在软骨下骨缺损的修复中具有潜在应用价值。
（4）针对SiO2纳米纤维生物矿化活性低，难以满足骨质疏松骨缺损高效修复的问题，通过将CaO引入SiO2分子网络中，并调控SiO2/CaO的比例及煅烧温度，制备了兼具柔性和生物活性的SiO2-CaO纳米纤维。研究了纳米纤维的物质组成和结晶形态对其柔性和生物活性的影响规律，掌握了制备柔性和生物活性SiO2-CaO纳米纤维的临界条件。随后将SiO2-CaO纳米纤维构建成了SiO2-CaO纳米纤维/壳聚糖（SiO2-CaO NF/CS）三维支架，并研究了纤维柔性与支架形貌结构、力学性能的关系，结果表明：具有柔性的纳米纤维所构建的SiO2-CaO NF/CS三维支架的力学性能更好，支架的孔壁结构呈纤维网络状。支架的弹性恢复性能分析发现支架可适应于各种形状的缺损，便于微创手术的使用。在此基础上，考察了支架的体外生物活性和生物相容性，并进一步在大鼠体内构建了骨质疏松模型，将载有hMSC的支架植入骨质疏松大鼠的颅骨缺损进行体内骨修复，实验结果表明：具有良好生物活性和生物相容性的SiO2-CaO NF/CS支架与hMSC协同作用，可以提高新生骨生成能力，同时促进缺损区血管的形成。