生物材料植入生物体中，材料表面不可避免地要与诸多生物物种，如水、氨基酸、蛋白质、细胞及组织等发生极为复杂的相互作用，生物材料的生物特性几乎完全依赖于材料表面的物理化学性质。通过对材料表面组分、结构的设计和修饰，可有效调控材料与生物体的相互作用，显著优化材料的生物性能。医用钛及其合金具有优异的化学稳定性和机械适应性，已被广泛应用于临床硬组织修复和治疗。但钛合金自身没有生物活性，不能直接与植入环境有效整合。因此，对医用金属钛及其合金进行表面仿生学的设计和表面化学组分、结构的修饰，使之具有优良的生物相容性、生物活性、抗腐蚀性及耐磨损性等综合性能，是当前生物材料和组织工程领域的一个核心性的研究课题和方向。 本论文基于仿生学的观点，侧重发展电化学沉积技术，在钛金属表面制备有序纳微米二级结构的磷酸八钙(OCP)/胶原蛋白复合膜层及多孔OCP膜层，发展表面处理技术直接在钛表面制备特殊纳微米结构的钛酸钠及TiO2薄膜，探索膜层结构、组分设计的可能性，以期通过对金属钛表面的仿生学修饰，实现对表面化学组分和微结构的可控制备，显著提高医用金属钛表面生物相容性、生物活性及力学性能。此外，还系统考察相关实验参数对表面修饰膜层结构和组成的影响，研究表面膜层形成过程的规律性，探讨表面纳微米二级结构的形成机理。通过纳米压痕实验、体外细胞培养实验、体外模拟体液(SBF)浸泡实验和体内动物植入实验等，综合研究钛表面修饰膜层组分、结构与表面力学特性、生物相容性及生物活性的内在关系，为高性能生物材料的发展和应用提供理论依据和技术支撑。主要研究结果如下： 1.运用电化学沉积法控制一定的制备条件，在钛金属表面获得了由带状OCP晶体组成的有序微米孔结构的膜层。发展了电化学共沉积技术，在钛金属基底上首次成功构筑了具有特殊纳微米二级结构的OCP/胶原蛋白复合膜层。研究表明，胶原的加入使OCP晶体尺寸细化到纳米级，并通过与OCP实现分子水平的结合，形成更接近于自然骨的纳微米孔状有序结构的OCP/胶原蛋白复合膜层。 2.采用钛表面超亲-超疏水微图案模板技术和电化学沉积钙磷盐技术，在钛金属基底表面成功实现了微图案化的OCP膜层的构筑。通过调整超亲-超疏水微图案模板的尺寸，精确可控制备具有纳微米图案尺度、结构及最佳生物性能的表面膜层。 3.运用纳米压痕实验研究了所制备的OCP膜层和OCP/胶原蛋白复合膜层的力学性能。结果表明，与单纯的OCP膜层相比，OCP/胶原蛋白复合膜层具有更优异的力学性能。复合膜层高度有序的纳微米结构及膜层中蛋白质的交联作用，明显提升了复合膜层的强韧性和结合力。 4.模拟体液浸泡实验表明，所制备的OCP/蛋白质复合膜层和OCP膜层均可显著诱导磷灰石形成，由于OCP/蛋白质复合膜层具有与自然骨类似的表面成分和结构，诱导磷灰石形成的能力更强。细胞培养表明，电化学制备的OCP/蛋白质复合膜层可显著增强成骨细胞的黏附与生长。动物植入实验表明，我们制备的OCP/蛋白质和OCP膜层样品植入体内后均表现为轻微的炎症反应和快速的修复能力，覆有OCP/蛋白质膜层的植入体植入早期阶段的生物相容性更优。生物性能的综合研究表明，电化学法构筑的纳微米二级有序结构的OCP/胶原蛋白复合膜层具有优异的生物相容性和生物活性。 5.系统考察了各种关键性实验参数对OCP膜层和OCP/胶原复合膜层的表面组分、结构等物理化学特性的影响，结果表明，在相当宽的实验参数范围内，所制备的膜层中钙磷盐的主要成分均为OCP晶体，膜层中OCP晶体尺寸、排列、孔结构、表面形貌及OCP晶体生长速度等与电化学沉积的实验参数密切相关。 6.初步提出了纳微多孔结构形成的“氢气泡模板”物理模型。认为相互匹配的气泡形成-消失的速度和钙磷盐晶体的生长速度以及软硬度适合的晶粒是微米多孔结构OCP膜层和OCP/胶原蛋白复合膜层形成的原因，强调胶原蛋白对纳米OCP晶体生长过程的抑制作用。 7.发展表面处理技术直接在金属钛表面成功制备了具有纳微米表面结构的钛酸纳膜层和锐钛矿型TiO2膜层。模拟体液浸泡实验表明，由于锐钛矿晶体结构与磷灰石晶体结构匹配良好、TiO2纳米管结构的巨大表面积及合适的表面微环境，使这种特殊结构的TiO2膜层具有强烈的磷灰石形成诱导能力，即优良的生物矿化能力。