各种创伤或自然老化导致的骨缺损是临床医学面临的一个挑战。用于骨缺损修复的人工生物材料是临床医用生物材料研究的重要课题之一。制备生物学和力学性能尽可能与人体骨相似的骨移植替代品,以促进骨再生过程,是目前研究的重要方向。骨再生是由一系列精心设计的生物诱导和传导的生物事件组成的,涉及许多细胞类型、细胞内和细胞外的分子信号通路,具有明确的时间和空间序列,以优化骨骼修复和恢复骨骼功能。近年来,骨矿化的机理研究得到极大发展,但是人工磷酸钙材料引发骨矿化的细胞内和细胞外的分子信号通路仍待进一步研究。针对以上现状,本论文从以下几个部分进行研究:1.羟基磷灰石(HAP)超长纳米线的合成以及海藻酸钠复合水凝胶很多组织工程材料很难同时具有骨的生物学与力学相容性,海藻酸钠等水凝胶材料因力学性能差极大了限制了其在骨缺损修复方面的应用。HAP是人体骨的主要无机成分,具有优良的生物相容性和生物活性,并可诱导骨骼或牙齿的再生。HAP超长纳米线具有良好的韧性,可作增强材料。我们将HAP超长纳米线与海藻酸钠水凝胶进行复合,提高其生物活性和力学性能,有望应用于骨缺损修复等领域。发展了油酸钙前驱体溶剂热法,在三元溶剂体系中合成羟基磷灰石超长纳米线,通过调控Ca/P比、磷源、前驱体溶液pH值、添加剂、溶剂种类、溶剂配比等因素,制备得到高度柔性的HAP超长纳米线。该制备方法制备HAP超长纳米线具有一定的普适性,但各个因素仍对HAP纳米线的尺寸、形貌有一定的影响。在优化的溶剂体系下,所制得HAP超长纳米线的长度可达到亚毫米级。制备了HAP超长纳米线/海藻酸钠水凝胶,HAP超长纳米线与海藻酸钠水凝胶间形成了类似“钢筋混凝土”的结构,红外谱图中海藻酸钠水凝胶中羰基或羧基的伸展振动峰在复合HAP超长纳米线后发生红移,说明HAP超长纳米线与海藻酸钠基体间存在氢键或配位作用力,可以从微观结构上解释HAP超长纳米线显著提高复合水凝胶的力学性能的机理。此外,复合HAP超长纳米线后,HAP超长纳米线/海藻酸钠复合水凝胶材料仍具有良好的生物相容性。2.采用同步辐射技术追踪纳米磷酸钙药物载体与药物分子间的相互作用在骨肿瘤或其它骨缺损治疗中,希望给药体系能够实现前期释放药物抗癌,后期材料降解诱导成骨的效果。纳米磷酸钙载药体系有望实现这种功能。但是,纳米磷酸钙载体与药物分子间的相互作用机理并不十分清楚。我们采用同步辐射技术追踪探索纳米磷酸钙载体与药物分子间的相互作用,以实现对药物装载及药物释放的调控。X射线近边吸收谱实验结果表明微波辅助合成的纳米磷酸钙药物载体(包括Eu、Nd掺杂纳米磷酸钙载体),与药物分子盐酸阿霉素、血红蛋白分子间无明显强化学作用力,其药物装载主要依靠物理吸附。某些特殊纳米磷酸钙材料,例如采用含磷生物分子作为磷源合成的纳米非晶磷酸钙中含有一定量的生物分子,血红蛋白分子中的Fe(II)可以与纳米非晶磷酸钙中的生物分子里的氨基有化学相互作用。因此,可通过表面功能修饰等手段调控纳米磷酸钙载体,以达到提高药物装载量、药物可控释放等目的。3.酶促反应制备仿生磷酸钙纳米材料近年来,骨矿化的机理研究得到极大发展,胞内矿化贡献很大,尤其是线粒体内的矿化,但是线粒体矿化引发骨矿化的机理还有待研究。我们模拟细胞内线粒体矿化环境,以碱性磷酸酶作为催化剂、三磷酸腺苷二钠盐作为反应物,成功制备出高稳定性的非晶磷酸钙纳米复合物(EACP)。该方法制备的EACP具有高生物活性,可促进人体间充质干细胞的增殖及成骨分化。实验结果表明所涉及的相关机理为EACP被溶酶体吞噬消化后,释放出的离子可激活细胞内CaMK-II及AMPK通路,进而引发细胞自噬并促进干细胞的成骨分化。此外,以大鼠骨缺损模型的动物实验结果表明,EACP与水凝胶材料复合,可在2周内实现大鼠2 mm骨缺损的快速修复。因此,该方法制备的EACP材料具有良好的生物医学应用前景。