第一部分GelMa水凝胶的制备,相关表征和体外生物学性能及优化研究目的制备并合成GelMa水凝胶,并对其相关表征,理化性质和生物学性质初步检测,确定其最优参数。方法制备出不同浓度的GelMa,并进行溶胀率测试,弹性模量的评估,体外胶原酶降解实验,大鼠体内水凝胶降解实验,电镜观察水凝胶的表征。观察不同紫外光交联时间对水凝胶内大鼠骨髓间充质干细胞BMSCs活性的影响。结果浓度为3%,5%,7%和10%GelMa水凝胶24h溶胀率分别为20.1±0.6,15.7±0.8,13.2±0.9 和 8.3±0.6,弹性模量分别为 3.3±2.6kPa,7.6±3.3kPa,15.9±4.4 kPa,25.0±6.6kPa,完全降解时间分别为 3d,7d,14d 和 21d。水凝胶种植于SD大鼠背部降解时间约为20天。扫描电镜观察水凝胶切面可见水凝胶内部为光滑、多孔的三维立体网架结构。紫外光交联时间越短细胞活性越好,细胞增值能力越强。结论GelMa水凝胶的孔径适合成骨环境。水凝胶的弹性模量与水凝胶的浓度成正比。水凝胶的溶胀速率和降解速率与浓度成反比。水凝胶在体内和体外的降解速率基本相同。紫外线灯的交联时间越长,对细胞生物学行为的影响越大。在紫外灯交联30S时间,浓度为10%的GelMa适合大鼠骨髓间充质干细胞成骨的微环境。第二部分负载纳米硅酸盐和生长因子SDF-1 α的GelMa水凝胶的性能及其修复颅骨骨缺损中的作用研究目的自体骨移植是治疗骨缺损的金标准。受限于供体部位有限的骨量和多种发病率,如感染和疼痛等。具有成骨潜能的可注射水凝胶具有微创并填补不规则骨缺损的优势,纳米硅酸盐（SN）具有良好的骨诱导性,缓慢释放生长因子和增强水凝胶可注射性的作用。基质细胞衍生因子1 α（SDF-1 α）除了作为骨诱导因子外还具有招募干细胞的能力。所以我们设计了一种简单,无需细胞,快速可注射GelMa-SN-SDF-1 α水凝胶,具有招募干细胞,良好的骨诱导性,并且对生长因子有缓释作用的复合水凝胶。并在颅骨缺损模型中验证其成骨效果。方法将SN和SDF-1 α引入到预聚物中,合成明胶-甲基丙烯酰基（GelMa）预聚物,提高可注射性、控释性能、成骨能力和干细胞归巢。分析不同型号针头的水凝胶可注射性,扫描电镜观察内部结构和孔隙率,测试水凝胶样品压缩模量,进行溶胀率测试和降解能力测试。使用大鼠SDF-1 α ELISA试剂盒测定释放的SDF-1 α的浓度。分析细胞活力,扩散,增殖和迁移。茜素红S染色,定量分析骨蛋白表达。在SD大鼠体内颅骨8mm缺损模型上,通过Micro-CT,H&E染色和Goldner-Masson三色染色进一步分析体内成骨效果。结果GelMa-SN-SDF-1 α在室温下通过各种型号针头显示出优异的注射性。加载的SDF-1 α表现出长期的控制释放模式,并有效的刺激了 MSC的迁移和归巢。GelMa-SN-SDF-1 α水凝胶可促进细胞扩散,迁移,成骨相关生物标志物表达和基质矿化。GelMa-SN-SDF-1 α水凝胶填补了大鼠的临界颅骨缺损,修复体积达百分之77%。成骨效果明显优于GelMa,GelMa-SN,GelMa-SDF-1 α。结论GelMa-SN-SDF-1 α水凝胶是一种简单,快速制备的无细胞的可注射成水凝胶,用于刺激骨再生。SN和SDF-1 α引入的GelMa水凝胶可促进水凝胶成骨并引导MSC归巢。GelMa-SN-SDF-1 α可注射水凝胶在体外和体内均显示出优异的注射性,生物相容性,成骨能力。加载的SDF-1 α表现出受控的长期释放模式。GelMa-SN-SDF-1 α在大鼠颅骨缺损修复模型中效果显著。第三部分介孔二氧化硅微球贯序释放SDF-1 α和IGF-1的GelMa水凝胶在胫骨骨缺损和椎间骨融合中的应用研究目的大多数生物仿生材料由三个重要部分组成,支架、细胞、生长因子。对于支架的要求基本为较少的免疫排斥反应,良好的生物形容性,以及起到为细胞提供攀爬骨架的作用。生物体内生长因子种类繁多,并在骨再生不同的时间段对骨诱导发挥作用。SDF-1 α时间窗口为1d～10d,具有骨诱导作用和招募干细胞归巢的功能,IGF-1在7d-20d发挥骨诱导作用。介于骨再生初期对最终愈合效果有重要作用,我们利用GelMa缓释SDF-1 α,并通过介孔二氧化硅微球将IGF-1释放窗口进一步延长到20d,希望通过此方式达到两种生长因子的贯序释放,制作并注射GelMa-SDF-1 α-SiO2（IGF-1）在大鼠胫骨骨缺损模型和尾椎骨融合模型上验证其成骨效果。方法水凝胶自身可降解特点以及孔隙结构可将水凝胶内的SDF-1 α缓慢释放,介孔二氧化硅微球表面的介孔可延缓IGF-1流出从而进入到水凝胶中。GelMa-SDF-1 α-SiO2（IGF-1）在体外运用矿化染色分析以及骨蛋白表达定量分析,体内实验则为大鼠胫骨骨缺损模型,将胫骨结节向上方用磨转制造6mm缺损,深度达骨髓腔。大鼠尾椎骨融合模型,将C3/4尾椎椎间盘切除,并用PEEK管保持3mm间隙进行骨融合。两种模型通过Micro-CT进一步分析体内成骨效果。结果SDF-1 α第3天释放过半,第15天释放达95.8%,接近释放完毕。IGF-1第7天释放量过半,第21天释放量累积达90.5%。GelMa-SDF-1 α-SiO2（IGF-1）可促进成骨相关蛋白的表达,水凝胶的矿化。GelMa-SDF-1 α-SiO2（IGF-1）在体内胫骨骨缺损的模型中修复面积大于其他三个组,X线可见修复效果良好,micro-CT分析骨量BV/TV达67.55%。在尾椎融合模型中,X线可见尾椎之间有新生骨连接,椎体间间隙小于其他实验组,micro-CT分析骨量BV/TV达80.72%。结论GelMa水凝胶负载SDF-1 α可以对该生长因子起到缓释效果。通过离心使IGF-1进入介孔二氧化硅微球,再将介孔二氧化硅微球与GelMa共混可以更持久的释放该生长因子。GelMa-SDF-1 α-SiO2（IGF-1）可以贯序释放两种生长因子,在体外更好的促进成骨细胞分化,成骨蛋白表达。GelMa-SDF-1 α-SiO2（IGF-1）在动物体内的胫骨骨缺损模型和尾椎椎间融合模型中成骨效果良好。