目前临床使用的骨组织修复材料均存在生物活性低、骨再生速度慢、修复质量不尽如人意等突出问题。通过对其进行适当的化学组成、物理结构以及生物学功能优化则可实现其临床骨修复效果的提高。本论文紧密围绕“促进骨组织快速修复”目标,通过模拟自然骨的三维多级结构以及骨创伤自愈过程,将多重药物控释系统引入组织工程支架中,构建具有特殊生物功能的人工骨替代材料,实现生物活性物质的多级装载和多级控制释放,发挥生物因子之间的协同作用,从而改善人工骨替代材料的骨再生能力。论文具体的研究内容如下:许多复杂的生理过程都是由多个生物因子协同参与的,因此通过施用多种类型外源性生物活性分子可以更有效的对骨组织再生过程进行综合调控。在论文第2章,我们提出了一种携带蛋白多肽类药物的缓释给药系统的新型骨组织工程支架,用于加速骨的再生。采用糖球造孔法,制备了与松质骨结构相似并且贯通孔孔径大小可控的羟基磷灰石(HA)支架。通过双乳液、孔闭合和层层自组装法制备了具有聚电解质多层复合膜表面的负载成骨多肽(OGP)和骨形态发生蛋白(BMP-2)聚乳酸-羟基乙酸共聚物闭孔微球,并将该微球装载到HA支架表面,构建双重载药闭孔微球-HA复合支架。该支架可以针对骨愈合的不同阶段,以时序的方式交付OGP和BMP-2。体外研究表明,OGP在前15天的释放量非常低(<11.7%),但之后释放速率明显提升,而此时,至少有56.3%的BMP-2已经释放,其随后的释放极为缓慢。体外细胞实验结果表明,与单载OGP或BMP-2的HA支架相比,含有双重生物因子的支架表现出较强的诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞方向分化的能力,并证明了在早期阶段以BMP-2定向诱导功能为主,在后期主要由OGP调节成骨前体细胞增殖和成熟的作用。进一步的体内成骨研究也表明,由于BMP-2和OGP潜在的协同效应,双重载药支架比单载药支架具有更强的骨诱导能力,能加速骨组织的形成。这种多级控释材料体系可以对组织再生过程的多个事件进行调控,在骨缺损修复的临床治疗中具有广阔的应用前景。在骨再生过程中,炎症反应、血管生成或干细胞归巢等相对较早的生物学事件有助于细胞分化和钙化的发生。在论文第3章,提出了一种新型的细胞引导型组织工程体系,该体系基于一个表面功能化的多孔HA支架,具有募集细胞并促进其向成骨细胞分化的能力,用于优化大尺寸骨缺损修复。通过交联的海藻酸盐涂层将装载地塞米松(Dex)的羟丙基-β-环糊精微球(Dex@CDMs)和基质细胞衍生因子(SDF-1)均匀固定在HA表面,得到双重载药SDF-1/Dex@CDMS-HA支架。体外细胞实验结果显示,初始释放的SDF-1明显刺激了骨髓间充质干细胞向支架内部的迁移,这为Dex作用提供丰富的靶细胞。并且发现SDF-1和Dex的协同作用也进一步提高了这些细胞的骨向分化潜能。此外,体内研究表明,与空白HA支架和单载SDF-1或Dex的支架相比,双载SDF-1和Dex的支架有效地改善了支架深层内部的早期细胞招募和血管化,明显加速了类骨质和矿化组织大面积的形成,提高了整体成骨性能。这种细胞导向型支架在无细胞骨组织工程的应用中具有巨大潜力。针对钛(Ti)基植入体在临床使用中仍然面临着材料骨整合率低和细菌定植引发的植入性感染而导致内植物松动失效的问题。在论文第4章,我们采用糖球堆积的模板作为造孔剂,制备了与天然松质骨结构相似的多孔Ti支架,其方法可精确控制宏观孔隙结构包括孔隙形态、大小和贯通性。通过去溶剂法制备包覆万古霉素(Van)的白蛋白纳米颗粒(Van-BNPs)。并基于一种改良的仿生矿化过程和仿贻贝粘附机理,在三维金属钛支架表面设计构建固载细胞粘附多肽(GFOGER)和Van-BNPs的掺硅磷酸钙涂层(pSiCaP@Van-pBNPs/Pep),以模拟自然骨基质的细胞外基质(ECM)微环境。体内外实验证明pSiCaP@Van-pBNPs/Pep复合涂层促进了细胞早期的黏附、铺展、增殖以及成骨分化,提高Ti支架体内异位骨诱导的能力。抗菌实验表明这种仿生涂层功能活化的多孔Ti支架具有出色的抗菌能力,从而减小骨愈合部位受细菌感染的风险。该研究为加强金属植入体表面的生物活性提供了一种有效的策略。为了改善物理交联的聚乙烯醇(PVA)凝胶材料由于内部孔径偏小、细胞亲和性和生物活性差而呈现细胞、组织和血管难以向材料内部迁移和生长以及在体内无法与周围组织紧密结合的突出问题。论文第5章以PVA和Cu掺杂HA粉体为原料,采用蜡球作为造孔剂,制备了宏观上与天然松质骨结构相似且表面具有类ECM网状结构的三维贯通多孔PVA/CuHA复合支架。并基于仿贻贝粘附机理,通过聚多巴胺(pDA)涂层在PVA/CuHA表面固载骨形成肽-1(BFP-1),构建生物功能化PVA/CuHA-pDA-pep支架。体内外实验表明该复合支架具有良好的生物相容性和骨诱导能力,同时兼具抗菌性能和促血管化功能,在感染性骨缺损修复方面具有一定的应用潜力。