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背景随着经济发展、生活方式和人口结构的转变。骨折、骨骼肌肉疾病的发病率逐年增高,骨科相关疾病的治疗日益受到国民重视及社会关注。为解决临床所面临骨组织缺损的修复与再生难点,开发新型骨组织工程材料成为当前重要课题。其中改善骨组织工程材料的理化特性,提高材料生物活性是核心问题。研究发现细胞所处环境中的形貌结构会产生特殊生物学效应,而骨组织形貌结构在调节细胞行为和骨组织的再生过程中发挥着关键作用。因此仿生骨形貌结构制备骨组织工程支架材料,增强材料与细胞间的相互作用有望成为新的研究方向。人体骨组织是从微观至宏观变化的复杂多层级结构,不同层级形貌结构可对细胞行为和分化产生不同影响。本课题通过表征提取人骨组织不同层级形貌结构—骨细胞外基质（Extracellular Matrix,ECM）形貌和骨小梁结构的相关参数,制备仿生纳米纤维支架材料和金属支架材料,研究仿生材料与骨髓间充质干细胞（Bone Mesenchymal stem cell,BMSC）的相互作用,探究骨组织不同层级形貌结构特性对骨再生的影响,为新一代支架材料的设计和开发奠定理论基础。本次研究围绕三方面进行:1.骨组织不同层级形貌结构的表征与参数提取;2.仿生骨ECM形貌参数的纳米纤维支架材料制备及其对BMSC的影响;3.仿生骨小梁形貌结构参数的合金支架材料制备及其对BMSC的影响第一部分骨组织不同层级形貌结构的表征与参数提取目的:获取骨组织不同层级形貌结构参数。方法:收集手术后废弃股骨头,结合Micro-CT、病理学切片和纳米压痕方法对股骨头进行分区,选取相对正常区骨组织作为目标样本。利用SEM、Micro-CT对骨样本进行表征,并采用Image J和Mimics软件处理、提取骨组织不同层级形貌结构参数。获取骨ECM形貌中的矿化胶原纤维束直径、角度取向等参数;骨小梁形貌结构中的孔隙率、孔径等参数。结果:本部分研究共收集8例人股骨头标本,通过Micro-CT分区、HE染色和力学性能测试,筛选出符合正常区骨组织结构、病理和力学表现的目标样本,利用软件提取目标骨样本的不同层级形貌结构参数。骨ECM形貌结构参数为:平均矿化胶原束纤维直径=915±22nm,平均纤维角度趋向=37.9±2.1°;骨小梁形貌结构参数为:平均孔隙率=65.4±3.2%,平均孔径=189±23 μm。结论:利用SEM和Micro-CT对骨样本进行表征,结合软件处理方法可获取骨组织不同层级形貌结构参数,为制备仿生支架材料提供形貌结构数据。第二部分仿生骨ECM形貌参数的PLA/nHA复合纳米纤维支架材料制备及其对BMSC的影响目的:基于获取的骨ECM形貌数据,制备仿生骨ECM形貌结构参数的纳米纤维支架材料,研究其对BMSC的影响。方法:采用静电纺丝法制备仿生骨ECM形貌参数（胶原纤维直径）的PLA/nHA复合纳米纤维支架材料,并与不同形貌结构PLA/nHA支架材料对比。通过SEM、XRD衍射谱、FTIR测试和润湿性分析等方式表征支架材料理化性质。结合体外细胞培养方法,对比不同形貌参数PLA/nHA支架材料上BMSC的细胞形态、细胞增殖和成骨分化情况,分析其生物相容性和对BMSC的影响。结果:采用静电纺丝法成功制备三组不同形貌结构的PLA/nHA复合纳米纤维支架材料,纳米纤维直径分别为S1组=389±45nm,S2组=906±166nm,S3组=1204±187 nm,其中S2组PLA/nHA支架材料的形貌结构参数与骨ECM一致。细胞形态和增殖结果显示,BMSC在三组支架材料上均能较好生长,而S1组和S2组支架材料上细胞铺展面积更大,且两者不同时间点的细胞增殖情况均优于S3组。成骨相关标志基因检测显示,S2组支架材料上的BMSC在3d,7d和14d时Runx2、Col-I、OCN、OPN表达均优于S1和S3组。21d的钙沉积实验结果表明,S2组支架材料上的BMSC矿化情况优于其他两组支架材料。结论:1.采用静电纺丝法可制备仿生骨ECM形貌参数的PLA/nHA复合支架材料。2.PLA/nHA复合支架材料具有良好的生物相容性。3.不同纳米纤维直径参数会影响PLA/nHA支架材料生物活性,纳米纤维直径为300nm和900nm区间的PLA/nHA支架材料有助于BMSC铺展和增殖,仿生骨ECM形貌参数（900nm区间）的PLA/nHA支架材料相较于其他形貌结构有助于BMSC成骨分化。第三部分仿生骨小梁形貌结构参数的多孔Ti-40Nb合金支架材料制备及其对BMSC的影响目的:基于获取的骨小梁形貌结构数据,制备仿生骨小梁形貌结构参数的合金支架材料,研究其对BMSC的影响。方法:采用SPS法制备仿生骨小梁形貌结构参数（孔隙率、孔径尺寸）的多孔Ti-40Nb合金支架材料,并与不同形貌结构Ti-40Nb支架材料对比。通过XRD、力学性能、耐腐蚀测试和血液相容性分析等方式表征支架材料理化性质。结合体外细胞培养方法,对比不同形貌结构的Ti-40Nb合金支架材料上BMSC的细胞形态、细胞增殖和ALP活性情况,分析其生物相容性和对BMSC的影响。结果:采用SFS法成功制备三组不同形貌结构的多孔Ti-40Nb合金支架材料,孔隙率分别为S1组=13.4%,S2组=38.9%和S3组=61.2%,其中S3组Ti-40Nb支架材料形貌结构参数与骨小梁一致,其具有类骨小梁的多孔结构,孔径在100μm-350μm之间。三组多孔Ti-40Nb合金支架材料的弹性模量分别为S1组=27.3 GPa,S2 组=22.6 GPa 和 S3 组=18.4GPa;抗压强度分别为 S1 组=452 MPa,S2组=411 MPa和S3组=326 MPa,力学性能与人骨组织匹配,满足植入材料的要求。血液相容性、耐腐蚀测试结果表明,多孔Ti-40Nb支架材料具有良好的生物相容性和耐腐蚀性。细胞形态和增殖结果显示,BMSC在多孔Ti-40Nb支架材料上生长良好,而S3组的增殖情况优于S1和S2组。ALP检测结果显示,S3组支架材料上的BMSC在3d,7d时的ALP活性高于其他2组。结论:1.采用SPS法制备仿生骨小梁结构参数的多孔Ti-40Nb合金支架材料。2.多孔Ti-40Nb支架材料具有良好生物相容性、力学性能和抗腐蚀性。3.不同形貌结构参数会影响支架材料生物活性,仿生骨小梁结构参数（孔隙率61.2%）的多孔Ti-40Nb支架材料相较于其他结构有助于BMSC的增殖和成骨分化。