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现有磷酸钙生物陶瓷材料具有低活性，高脆性及难以机械加工的特点，极大的限制了其在骨科、齿科和整形科的应用。相比之下，天然矿物质生物材料具有轻质高强的特点，能够在复杂环境中通过其结构的优化设计和材料的多尺度效应实现特异性的材料属性。因此，研究天然生物材料的成分与多级结构对人造材料的开发和结构设计有着重要的理论和指导意义。其中，天然海胆刺(Heterocentrotus mammillatus)材料具有类似人体骨骼中骨小梁的开孔结构，并且具有优异的力学性能适于机械加工成型(抗压强度～43.4MPa)，拥有作为良好骨修复材料的潜力。因此，研究天然生物材料的成分与多级结构对人造材料的开发和结构设计有着重要的理论和指导意义。本研究中将海胆刺材料开发成一种可用于骨缺损修复的高强度人工骨材料。同时，根据天然海胆刺的纳米晶组成机理，仿生制备了一种具有生物活性的纳米磷酸钙材料，并利用等离子喷涂技术将该材料用于制备人体植入钛合金表面生物活性镁锶掺杂羟基磷灰石涂层。 本文从天然海胆刺材料出发，研究天然海胆刺材料结构与力学性能的关系，结果表明海胆刺的多孔结构和致密生长环组成的多级结构不仅能够有效地承受外力，而且能够分散加载应力。有限元分析表明，压应力集中在致密的生长环上，并通过立体支撑结构分散应力，表明精细的结构具有较高的比强度。通过水热转化后海胆刺产生的含镁磷酸三钙(Mg-TCP)支架的断裂强度约为～9.3MPa，与骨小梁强度相当。在兔股骨缺损处植入一个月后，沿着Mg-TCP支架的外表面形成新生骨，并在三个月内长入大部分的内部开孔空间，并显示出支架和再生骨组织之间紧密的结合界面。使用Ti-6Al-4V脊柱融合器和Mg-TCP支架复合植入比格犬的腰椎小关节融合可以在七个月内完成，并且在十个月后Mg-TCP支架几乎完全降解并且被新生骨取代。 根据天然海胆刺生物矿化的机理，制备了具有Mg、Sr等元素掺杂的生物活性的纳米磷酸钙粉末材料并考察了其组成、颗粒尺寸、热力学条件及生物学检测，结果表明Mg、Sr等元素的掺杂降低了磷酸钙材料的晶胞参数，稳定了磷酸三钙的晶胞，其晶化过程通过非晶磷酸钙脱水实现，细胞学检测该材料无细胞毒性。 最后，使用非晶晶化的方法，仿生制备了Mg和Sr元素掺杂的纳米羟基磷灰石，并使用等离子喷涂工艺将其喷涂在Ti-6Al-4V的器件表面。该涂层平均厚度约为200μm。为了提高涂层的结晶度和与钛合金基底低的结合强度，对其进行了退火热处理，发现随着热处理温度的升高，结晶度和结合强度也随之提高。同时对该涂层进行了生物学检测，细胞毒性实验显示该涂层无细胞毒性，细胞黏附实验能够清晰观察到细胞在涂层表面铺展，为后续其在骨科和牙科领域的应用提供了实验基础。