羟基磷灰石[Ca10（PO₄）₆（OH）₂,HA]是最广泛使用的硬组织修复材料之一,具有优异的生物活性和生物相容性。作为硬组织中的主要无机组分,HA纳米晶体已被广泛研究用于骨再生。然而,人体骨组织中的羟基磷灰石在组成和结构上与人工合成羟基磷灰石材料大相径庭,人体硬组织中的无机矿物质具有精密的有序结构,且含有大量微量活性因子,如F^-,Sr²⁺,Zn²⁺,Mn²⁺,SiO₄⁴⁺等。因此,从组成仿生学的角度来看,设计有序结构和掺杂离子修饰人工合成羟基磷灰石赋予其促成骨作用甚至抗菌性是一个重要的研究课题。本文的研究内容和相关结果如下:1.近年来,骨质疏松症的发病率呈上升趋势,骨缺损的临床发病率增加,骨移植物的骨重建往往失败。开发具有高成骨性的人工HA仍然是一个挑战。在这项研究中,我们制备了痕量的二价锰(Mn²⁺)掺杂HA（Mn2HA）,其保留了纯HA相并具有良好的结晶度。获得的Mn2HA产物显示出纳米棒结构。Mn²⁺的引入赋予HA强烈的亲水性。系统研究了Mn对体外生物活性的影响。实验结果表明,Mn2HA材料中痕量的Mn²⁺显着提高了蛋白质的吸附能力和成骨活性,促进了相关成骨基因的表达,具有良好的生物相容性。我们系统地研究了Mn²⁺通过激活整合素和TGF-beta1对体外刺激骨再生的相应机制的影响。这为骨缺损处理材料的研究和开发提供了理想的前景。2.随着临床感染问题的出现,开发具有高抗菌活性,生物安全性和成骨活性的功能化羟基磷灰石已引起重要的研究兴趣。在此,我们首先在HA晶体结构中引入了高氧化态的三价锰(Mn³⁺),并通过简单的热处理工艺合成了结构稳定的Mn³⁺掺杂HA（Mn3HA）,具有新的晶体缺陷结构和改善的表面性质,诱导有效的抗菌功能。实验和理论研究表明,Mn³⁺优先取代Ca（2）位点,质子空位在最近的OH^-位点产生。质子空位提供了质子受体位点并提高了表面亲水性,从而改善了材料表面与细菌或者细胞之间的亲和力。Mn³⁺形成的正电荷中心可吸附更多的牛血清白蛋白（BSA）蛋白。Mn3HA显示出有效的抗菌活性,Mn含量约0.4wt%时,大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率均达到90%以上。抗菌活性源于Mn³⁺在细菌体内产生的活性氧导致细菌中DNA的氧化损伤。此外,痕量Mn³⁺可通过上调BMP-2和Runx2基因的表达,显着改善成骨细胞的增殖和分化。因此,该工作开辟了一种通过调节掺杂元素的价态和氧化态来设计HA的晶体缺陷结构,表面性质和生物学功能的新方法,并且所提出的Mn3HA材料在硬质领域具有重要的潜在应用价值和组织修复治疗。3.骨癌是最常见的癌症之一,近年来骨癌发病率逐年上升,最常见的骨癌类型是骨肉瘤。而且术后产生的骨缺陷需要进行骨修复,并且也要预防术后感染等问题。本研究我们通过简单的水热法,我们成功地将硒氧阴离子引入羟基磷灰石晶格中,得到的SeHA不含其他杂质离子。我们将SeHA制成生物陶瓷并系统研究它们的抗菌,成骨和抗肿瘤特性。根据实验结果,将Se引入HA可以大大提高抗菌性能。0.2SeHA样品对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率超过80%。这种显着的增强归因于Se在细菌中催化诱导ROS以实现细菌的杀灭。这项工作还研究了Se在成骨细胞的增殖和分化中的作用以及对成骨基因BMP-2和Col-1的影响。本研究通过掺杂Se突出了HA的抗肿瘤特性,并进一步研究了Se诱导的肿瘤细胞凋亡的信号传导机制。这种材料为治疗骨肿瘤和促进术后骨修复再生以及预防术后微生物感染提供良好机会。