聚膦腈是一种主链由交替的磷氮原子排列而成,侧基为连接于磷原子上的两个有机官能团的有机-无机杂化高分子。聚膦腈材料的优势是可通过接枝不同的侧基,使其具有广泛可调节的亲疏水性、生物相容性、生物可降解性、可加工成型性等,同时,由于其富含磷氮的分子结构,具有显著的成骨活性,是发展新一代骨再生修复材料的良好选择。由于聚膦腈合成化学的限制,制约这类材料在组织工程研究中应用的主要因素是力学性能和贮存稳定性不足。利用聚膦腈的化学可修饰性强,发展具有光致荧光、药物控释等多重功能性的聚膦腈骨再生修复材料,发展聚膦腈与其他生物材料的复合材料,以规避其不足,是该领域目前的研究趋势。因此,本论文通过分子结构设计,设计制备了数种聚膦腈材料体系,包括(1)可在体内光致荧光显影的生物可降解聚膦腈材料;(2)可在细胞内光致荧光显影并在原位释放促成骨成分的聚膦腈高分子药物纳米粒材料;(3)可原位光交联的聚膦腈/明胶复合水凝胶材料。最后,以氨基酸酯取代聚膦腈为研究对象,探索了聚膦腈材料促成骨分化的机制。生物可降解支架材料植入后在体内的原位示踪,以指示材料的体内降解和去向,在组织工程研究中有着重要意义,但传统生物可降解材料如脂肪族聚酯,往往缺乏反应性官能团,很难引入光致荧光发色团。本论文利用聚二氯膦腈的高反应性,通过将柠檬酸与巯基乙胺反应得到的荧光小分子(TPCA)和丙氨酸乙酯共取代到聚膦腈主链,得到了荧光强度可控且荧光稳定性高的生物可降解聚膦腈(PTA)。发现,PTA的荧光强度随着TPCA侧基比例的升高而上升,与TPCA小分子相比,PTA的荧光稳定性(浓度淬灭和光致漂白效应)得到极大程度地提高;PTA的降解速率也随着TPCA侧基比例的升高而加快,但降解优先从丙氨酸乙酯侧基发生,未检测到TPCA优先从聚膦腈主链脱除,从而材料随着降解一直保持较高的荧光强度。由此,PTA满足体内示踪的应用要求,大鼠皮下植入和颅骨缺损实验结果均表明,可以实现机体内无损实时监控植入材料的降解和吸收。体内外生物学表征结果显示,PTA具有良好的生物相容性,体外能够促进大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSCs)的成骨相关指标的表达,体内能显著促进骨缺损区域的再生。相比于物理包埋药物控释体系易于出现爆发释放,利用共价键结合负载药物的高分子前药,是通过聚合物的降解来实现控制释放的,易于实现线性释放。聚膦腈合成化学的灵活性,使以生物可降解聚膦腈为载体获得高分子前药具有可行性。将促成骨成分和氨基酸酯共同引入聚膦腈的侧基,同时制备为易于被细胞内吞的纳米粒子,可实现细胞内的释放和原位促成骨作用。因此,本论文以斯伐它汀为促成骨成分,以具有光致荧光特性的色氨酸乙酯为共取代成分,制备了具有光致荧光特性的生物可降解高分子前药(PTGP-SIM),并采用共沉淀法制备了平均粒径～150nm的纳米粒子。rBMSCs对于PTGP-SIM纳米粒子具有良好的内吞性,并通过纳米粒子的光致荧光特性证实其主要存在于细胞质中,随着细胞的增殖和分化培养,它们一直留存在细胞内部。由于聚膦腈属于侧链降解机理,斯伐它汀的释放持续稳定,没有出现没有明显的初期爆发释放,因此,内吞到细胞内部纳米粒子持续释放的斯伐它汀,表现出显著地、持续地促成骨分化作用,是功能化聚膦腈材料作为促进骨再生修复的新应用形式。不过,PTGP-SIM纳米粒子的浓度对rBMSCs的活性有影响,当纳米粒子浓度高于1 g/L后,会导致细胞死亡,在浓度为0.1g/L-0.4g/L之间会显著抑制细胞的增殖,最终确定,PTGP-SIM纳米粒子与rBMSCs的共培养浓度不宜高于 0.04 g/L。可注射水凝胶由于创伤小、易于共混成型和加工、与细胞外基质具有相似的结构而在组织修复研究中受到广泛关注。利用聚膦腈易于功能化的特性,发展聚膦腈与天然高分子的复合水凝胶,可有效弥补单纯聚膦腈材料力学性能不足,进一步提高生物学性能。因此,本论文在聚膦腈主链上引入了带有可光交联双键的香茅醇,并和低空间位阻、高亲水性的二乙二醇单甲醚共取代制备了水溶性聚膦腈,同时合成了丙烯酸酯化明胶,通过溶液共混、光交联的手段发展了可注射聚膦腈/明胶复合水凝胶,其力学性能和细胞行为均优于单纯的聚膦腈水凝胶。利用原位矿化法在水凝胶中引入高生物活性的磷酸钙无机粒子,可以进一步提高水凝胶的机械性能和促成骨活性。需要指出的是,复合水凝胶中明胶的比例不宜超过10%,聚膦腈和明胶的相分离程度随着明胶含量增加而提高,由此造成复合水凝胶的交联密度和可注射性下降,降解和溶胀性质也随之发生改变,但仍能很好地满足骨再生修复的需求。最后,本论文对氨基酸酯取代聚膦腈促进成骨分化的机制进行了研究。普遍认为,相对于其他生物可降解材料如聚酯,聚膦腈具有显著的促成骨活性来源于其富磷的化学结构,然而,究竟是聚膦腈主链降解产生的磷酸根,还是细胞在富磷材料表面,对成骨分化的促进作用更明显,目前尚没有清晰地认识。因此,本论文合成了两种降解速率不同的氨基酸酯取代聚膦腈(丙氨酸乙酯/甘氨酸乙酯共取代聚膦腈(PAGP)、苯丙氨酸乙酯/甘氨酸乙酯共取代聚膦腈(PPGP)),通过加速降解制备全降解产物,以不同浓度添加到培养基中,并以相同浓度的无机磷酸根培养基为对照,研究了降解产物中磷酸根和氨基酸酯对成骨分化的协同促进作用。同时,通过细胞与材料直接或间接接触条件下的成骨分化研究,对照聚膦腈的降解速率,讨论了氨基酸酯取代聚膦腈的表面元素组成对成骨分化的阴性。结果显示,聚膦腈富磷的表面组成与细胞的直接接触,以及聚膦腈降解产生的可溶性成分(磷酸根、氨基酸、胺根等),都能促进rBMSCs的成骨分化,且活性表面的接触促进效果更加显著。然而,接触效应对细胞行为的调控能力与材料自身的降解速率关系密切,降解较快的PAGP材料,随着降解进行,由于其表面性质更新较快,接触和非接触状态对rBMSCs成骨分化的促进作用并没有检测到显著性差异。可以认为,具有合适降解速率的氨基酸酯取代聚膦腈材料,才能有效发挥其促成骨的生物活性。综上所述,化学结构的可设计性和材料功能的多样性,赋予了聚膦腈材料广阔的应用领域和发展空间。在保证生物相容性和生物可降解性的前提下,引入适当功能性侧基的聚膦腈材料,不仅可具有本论文研究所发展的光致荧光、药物控释等特性,还可引入如抑菌性成分等更多功能,在骨组织工程方向有着令人期待的应用前景。