手术导致的骨缺损和残余癌细胞可能引起的复发及转移成为骨肿瘤临床治疗面临的双重挑战,因此兼具良好的肿瘤治疗和促进骨组织再生的多功能生物材料的开发成为本领域的研究热点。目前基于物理热消融等手段开发的新型多功能材料的治疗靶向性能有限,且本身限于局部治疗,以至于未能有效地解决骨肿瘤的治疗难题。本研究旨在基于仿生合成的不同分级结构的HA微纳米颗粒,在深入揭示其与细胞相互作用机制的基础上,通过整合性能优化的新型姜黄素纳米前药,构建出既能促进骨组织再生修复,又能靶向局部残余的骨肉瘤细胞并释放出抗癌纳米药物的多功能微纳米复合材料,为解决骨肿瘤术后治疗难题提供有效解决方案。主要研究内容和研究结果如下:(1)微纳米尺度的羟基磷灰石(HA)颗粒因良好的生物相容性、能获得可控的结构和较高的比表面积,已被广泛用作药物载体。此外,HA还具有极佳的骨诱导性和骨传导性,这为兼具抗癌和骨修复多功能材料的设计提供了良好的选择。本研究通过新型的仿生合成技术开发了多种不同分级结构的HA微纳米颗粒,详细表征了其形貌特征和化学组分、颗粒尺寸及表面电位、结晶特性及钙离子释放、多孔结构和蛋白质吸附等理化性能,深入研究了不同的分级结构对细胞内吞和成骨分化性能的影响。结果表明,HA颗粒的多级孔结构能促进血清黏附蛋白的富集,与其分级结构的生物效应协同介导细胞的内吞作用,颗粒的摄取效率呈现分级结构和浓度的双重依赖性。同时,利用PCR、RNA-seq和Western blot等技术深入揭示了不同分级结构的HA颗粒通过在细胞界面促进黏附和细胞内钙调-ERK信号级联(Ras/c AMP/Rap1/MAPK信号通路)的双重机制促进干细胞的成骨分化。这些研究结果对优化骨组织修复材料的设计具有指导意义。(2)姜黄素对健康细胞的毒性较低,且具有抗炎、抗氧化和抗菌等诸多生物活性,并能选择性地杀死骨肉瘤细胞,具有很大的潜力发展成为一种新的骨肿瘤治疗药物。本研究基于分子构效关系,设计合成了姜黄素的硼基衍生物、酯酶控释型纳米颗粒和p H响应型纳米颗粒等多种新型前药。详细表征了合成分子的光谱性质、稳定性、水溶性和活性氧的产生及纳米颗粒的形貌特征、颗粒尺寸和表面电位等理化性质。此外,深入研究了各种新型前药的细胞摄取、抗癌活性及阻滞细胞周期和促进细胞凋亡的机制。结果表明,新型衍生物的设计有效改善了姜黄素分子在生理环境下不稳定、难溶于水及生物利用度低的应用难题,并筛选出了综合性能优异的前药分子。(3)基于兼具促成骨、高药载和选择靶向等多性能的分级结构HA微纳米颗粒,整合优选的姜黄素纳米前药,构建了多功能型分级结构HA颗粒/姜黄素前药微纳米复合材料。详细表征了复合材料的形貌特征和化学组分、药物装载及药物分布、颗粒尺寸及表面电位等理化性能,并深入研究了其体外细胞摄取、细胞靶向、抗癌活性及抑癌机制。细胞实验表明,复合微纳米颗粒可以选择性靶向作用于骨肉瘤细胞,并通过显著促进细胞凋亡和阻滞细胞于G2/M期抑制癌细胞的增殖活性。体内抗肿瘤实验表明,复合材料无明显毒副作用,可以通过抑制骨肉瘤细胞的增殖活性和肿瘤组织的血管化来抑制肿瘤的生长。此外,复合微纳米颗粒在体内通过抑制MMP2和STAT3的表达从而抑制骨肉瘤细胞的侵袭转移活性。这些研究为新型控释纳米药物和多功能靶向材料的研发开辟了新途径,为骨肿瘤临床治疗面临的多重挑战提供了新的解决方案,同时为新型骨组织修复及抗肿瘤材料的作用机制研究提供了理论基础。