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钛基骨科材料植入体内后,面临两大临床挑战:无菌性松动及细菌感染,直接决定了植入成败及长期使用寿命。无菌性松动源于多种因素,包括生理载荷下植入体相对于骨的微移动、植入体生成的磨损颗粒诱发炎症反应和骨吸收、钛基材料与骨组织之间力学性能不适配而引发的“应力遮挡”,以及植入体和患者骨组织之间的骨整合性不足。此外,细菌感染是导致植入失败和翻修手术的另一主要因素。基于此,优异的骨整合性和预防细菌感染是植入体植入成功所必需。因而,优化植入体设计,赋予钛及钛合金多重生物功能至关重要。本论文从骨组织生长和重塑过程中骨形成与血管形成耦合的角度出发,采用阳极氧化和层层自组装(LBL)技术构建了兼具抗菌性能的促成骨/成血管分化的药械结合体系,提高骨生成能力。进而,我们从仿生自然骨微纳结构角度出发,采用3D打印技术制造了匹配自然骨组织力学性能的多孔Ti6Al4V支架,并采用冷冻干燥法制备了兼具抗菌、抗肿瘤和促骨生成能力的三相仿生复合支架。本论文主要研究内容和结论如下:1.层层自组装修饰载药钛纳米管促骨/血管生成研究利用阳极氧化制备二氧化钛纳米管(TNT)阵列作为药物储池,装载去铁胺(DFO)药物,然后采用LBL技术在载药纳米管表面构筑壳聚糖(Chi)和明胶(Gel)仿生多层膜结构,命名为TNT-DFO-LBL。利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)和接触角测量等手段对基材的物理化学性质进行了表征,证实在TNT阵列上已成功构建多层膜结构。检测显示DFO以持续缓慢的方式释放。该药械结合基材能显著改善骨髓间充质干细胞(MSCs)的粘附、增殖和成骨分化,并促进人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的生长。此外,TNT-DFO-LBL通过激活MSCs细胞HIF-1α信号通路,上调成骨和成血管相关基因表达,促进体内成骨生成能力。2.兼具促成骨和成血管化的酶响应性抗菌钛基植入体研究首先将庆大霉素(Gen)共价接枝到透明质酸(HA)分子上获得透明质酸酶(HAase)敏感的HA-Gen偶合物。然后,采用LBL技术在装载DFO药物的TNT表面构筑Chi/HA-Gen多层膜结构,称为TNT/DFO/HA-Gen。利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和核磁共振氢谱(~1H NMR)对HA-Gen进行表征。利用场发射扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)和接触角测量对基材的物理化学性质进行表征。在外源性HAase存在时,DFO快速释放,这与HAase触发的多层膜降解有关。TNT/DFO/HA-Gen基材对大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)有良好的抗细菌粘附和抗菌性能,但利于MSCs细胞粘附,而且能同时促进MSCs成骨/成血管分化。3.3D打印不同孔径的多孔Ti6Al4V植入体促骨生成研究为考察多孔Ti6Al4V支架孔径尺寸大小对生物学性能的影响,我们设计并采用选区激光熔融(SLM)技术制造了不同孔径的(500、700和900μm)多孔Ti6Al4V植入物,分别命名为p500、p700和p900。通过表征多孔Ti6Al4V支架形态特征,其实际孔径分别为401±26μm、607±24μm和801±33μm。静态力学性能结果显示,多孔Ti6Al4V支架的力学性质与骨组织相匹配。结果表明,3D打印技术能够制备类似于人骨力学性能的多孔Ti6Al4V植入物。体外实验结果表明,适当的孔径尺寸利于细胞粘附、增殖和早期分化。此外,将多孔Ti6Al4V支架植入兔股骨评价体内促成骨能力,实验结果表明p700样品利于骨组织长入孔内和骨-植入体的稳固性。综上所述,p700组样品(实际孔径约为600μm)的生物学性能优于其他两组。以上结果为设计和制造具有特定几何形状的多孔Ti6Al4V支架材料提供科学依据。4.具有抗菌、抗肿瘤性能的骨修复仿生复合支架研究临床治疗由创伤、肿瘤切除及其他骨疾病导致的骨缺损仍是一个重大挑战,尤其是承重部位的骨缺损。为预防骨肉瘤手术切除后肿瘤复发和细菌感染,我们设计了仿生三相复合材料,由多孔Ti6Al4V支架、壳聚糖(Chi)和硒掺杂羟基磷灰石纳米颗粒(HA-Se)组成,称之为pTi/CS/HAP-Se。利用透射电子显微镜(TEM)对纳米羟基磷灰石颗粒形貌特征进行表征。采用场发射扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)分别对复合支架的形貌、化学和相组成进行表征。细胞水平上,复合支架可促进成骨细胞的增殖,抑制肿瘤细胞(MDA-MB-231)的生长和细菌活性。仿生三相复合支架有类似于天然骨组织的多层级孔隙结构,在治疗骨肉瘤切除手术后的骨缺损具有潜在应用价值。