因创伤、肿瘤、感染、先天畸形等多种病因引起的骨缺损是骨科临床常见病,严重影响患者的生活质量,其修复和再生是临床医生面临的巨大挑战。近年来,组织工程取得的重大进展为骨缺损的再生治疗带来了新的契机。其中,利用具有仿骨特性的支架来促进骨再生的策略因可以创造合适的微环境来促进骨缺损快速修复,具有巨大的潜力。构建骨组织必须整合接近自然组织的结构和力学微环境特性。然而,既有研究很少对骨的结构特征和力学生理环境同时进行模拟。皮质骨是由胶原蛋白纤维(主要是I型胶原蛋白)和矿物质相(碳酸羟基磷灰石)组成的复合物,具有取向纤维高度交错排列的结构。同时,在生理条件下,力学刺激(例如运动引起的负荷)可以促进骨形成和重塑,增加骨强度。为模拟以上特性,本研究以胶原蛋白作为细胞培养基材,通过细胞微图案化及层层组装技术,构建多层取向细胞-胶原复合物,以模拟天然骨的微观结构,并进一步通过力学加载细胞培养系统对多层取向细胞-胶原复合物施加适度力学刺激,以研究细胞取向及力学刺激对MC3T3-E1细胞成骨分化和骨再生的影响。本论文第一部分首先采用微图案技术在胶原膜表面上构建了深度和宽度分别为2 μm和10 μm的微凹槽结构,得到表面微图案化胶原膜,在其上进行MC3T3-E1细胞培养,考察细胞的取向和生长情况。结果显示,因定向排列微凹槽的存在,微图案化胶原膜具有各向异性的力学特性,并有效引导细胞定向生长。在第二部分,为了探究细胞取向及力学刺激对细胞增殖及分化的影响,我们使用定制的力学加载细胞培养系统,对单层取向细胞-胶原膜施加周期性拉伸力学刺激。结果显示,适度力学刺激显著促进MC3T3-E1细胞增殖,且不影响细胞在胶原膜上的粘附及取向。细胞取向和力学刺激可协同促进MC3T3-E1细胞成骨分化,取向的细胞-胶原膜具有良好的体外促成骨能力。在第三部分,我们进一步采用层层组装技术构建了具有斜交叠层结构特性的多层取向细胞-胶原复合物,并对其施加力学刺激后,植入模型小鼠颅骨缺损处,考察其在体内的促成骨性能。结果表明,体外力学刺激对多层取向细胞-胶原复合物的细胞活性无影响,且显著促进了 MC3T3-E1细胞的基质分泌。植入骨缺损部位后,经过力学刺激的多层取向细胞-胶原复合物表现出最佳修复效果,在术后8周时新生骨量达30%。综上,本研究利用细胞微图案化及层层组装等技术,构建了多层取向细胞-胶原复合物,通过体外和体内实验证明:因材料表面微观结构导致的细胞取向和力学刺激对细胞行为和功能具有重要影响。在细胞取向和力学刺激两方面因素的协同影响下,细胞-胶原复合物表现出优异的促成骨能力。本研究的成果不仅为骨组织工程中支架材料的设计和力学刺激的选择提供了理论依据和技术基础,在骨再生中具有可观的应用前景,也可为其它组织的再生修复提供借鉴。