磷酸钙作为骨组织的主要无机成分,能与活体组织形成化学性键合,具有优良的骨传导性和骨诱导性,是目前学术界公认的适用于临床应用的生物活性陶瓷材料。生物材料植入体内后其表面与生物环境直接接触,因此材料表面与细胞的相互作用是生物材料成功应用的关键因素之一。越来越多的研究表明生物材料表面的微纳结构能够有效调控细胞的粘附、伸展、增殖和分化。基于此,本研究旨在羟基磷灰石陶瓷表面制备不同的微纳结构,研究表面微纳结构化磷酸钙陶瓷的骨诱导性及其成骨作用机制。本文首先利用RNA-seq技术系统研究钙离子对于间充质干细胞成骨分化的影响及作用机制;之后使用分子对接技术研究羟基磷灰石分子与细胞外基质蛋白纤粘连蛋白(FN)的相互作用机制,对羟基磷灰石陶瓷生物相容性及成骨诱导特性机制进行探讨;在此基础上,为提高羟基磷灰石支架的生物活性特别是成骨诱导能力,采用水热合成和机械处理的方法制备了具有不同表面微纳结构的羟基磷灰石陶瓷,对其进行表征和生物学功能检测,最后对其表面微纳结构作用机制进行分析推测。主要内容及结果归纳如下:将大鼠BMSC培养在10mM钙离子DMEM培养基中,分别对1、4、7天后的细胞进行转录组测序(以正常培养基做对照)。利用Tophat软件对测序结果进行基因组比对,Cufflinks软件进行转录本组装以及差异表达基因搜索,最后使用网络分析工具DAVID进行差异表达基因的归类、注释及功能分析。结果表明,钙离子促进了 BMP2基因的表达,同时抑制了 BMP通道阻抑蛋白BMPer的表达;对于ERRR,WNT和TGF-β等其它成骨诱导相关信号通道分析表明,信号通道激活蛋白表达减少而阻抑蛋白表达增多。其次,利用AutoDOCK软件分析羟基磷灰石分子与FN部分片段(FN-Ⅲ7-10)之间的相互作用。结果表明羟基磷灰石分子与FN-Ⅲ7-10的结合位点主要位于RGD区域所在的片段,并且此片段对于相邻片段与羟基磷灰石分子的结合有促进作用。羟基磷灰石分子与FN-Ⅲ7-10的结合位点主要位于RGD肽段的一侧,不会影响FN-Ⅲ7-10与细胞表面受体的结合;羟基磷灰石分子与FN-Ⅲ7-10的结合位点处精氨酸出现的频率高。这从理论上阐述了羟基磷灰石良好生物相容性的分子机制。接着,使用钙磷盐将羟基磷灰石陶瓷支架进行浸渍处理,增加表面钙磷成核位点,加入肌醇六磷酸(IP6), 150℃反应3h制备不同微纳结构磷酸钙涂层。结果表明IP6调控磷酸钙在支架表面沉积,形成长椭球状颗粒组成微纳结构;如水热反应中无IP6,则支架表面形成六棱柱状微纳结构,涂层厚度小。钙离子释放实验表明,椭球状磷酸钙涂层支架钙离子释放速度快,释放量多;体外实验表明,不同表面微纳结构支架都具有良好的生物相容性,椭球状磷酸钙涂层更加有利于间充质干细胞(MSC)的成骨分化,其中BMP2和YAP/TAZ扮演着重要的角色。最后利用打磨抛光方法在三种不同工艺制备的羟基磷灰石陶瓷表面制备微孔结构,通过扫描电子显微镜(SEM),X射线衍射仪(XRD),轮廓仪等对表面微孔进行表征。结果表明,经机械研磨后,致密羟基磷灰石陶瓷表面形成大量微纳米级凹孔,平均内径分别是0.8577μm和1.1406μm。FN蛋白吸附实验表明羟基磷灰石陶瓷表面微孔结构影响了蛋白吸附。此外,分别在细胞与分子水平上通过免疫荧光染色、碱性磷酸酶(ALP)活性检测、以及成骨相关基因的RT-PCR检测表明,材料表面微孔结构化羟基磷灰石陶瓷细胞粘附及增殖无显著差异,细胞形貌具有明显不同,ALP活性有少量的差别;成骨分化相关基因的表达也有较小的差异。综上所述,磷酸钙陶瓷表面的微纳结构通过调控蛋白的吸附、钙离子的释放影响成骨相关细胞的粘附与成骨分化。本文获得的进展将对生物材料微纳结构的研究提供重要参考,为生物材料特别是磷酸钙陶瓷骨替换材料的研究提供新的思路。