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蛋白质在治疗及器官损伤修复方面有良好的临床应用前景，但是如何提高蛋白质的稳定性以及生物利用度是目前实际应用中的难点。近年来，随着纳米科学的发展，具有良好生物相容性的纳米材料被广泛应用在药物递送和组织工程等生物医学领域。利用载体递送蛋白有望提高蛋白药物的生物利用度，进而提高治疗效果。另一方面，利用掺杂纳米纤维以及基于天然高分子的可降解水凝胶作为支架材料，诱导或促进其上的干细胞分化，在组织修复治疗领域具有良好的应用潜力。本研究内容包括以下四部分： ⑴设计合成了生物可降解高分子----聚乙烯亚胺衍生物BDDA，并研究了其在蛋白递送方面的应用。在本文第二章中，利用迈克尔加成反应获得BDDA，再通过静电相互作用有效负载不同种类的蛋白质，避免了通过化学偶联方法负载药物而导致的蛋白质活性丧失。然后，利用BDDA-蛋白复合物将蛋白递送到细胞胞质中并实现了对细胞功能的调控。体内和体外毒性实验表明，这种可生物可降解阳离子高分子载体具有较低的生物毒性。以上实验表明BDDA在蛋白药物递送等方面具有潜在应用前景。 ⑵氧化石墨烯是新型二维碳纳米材料石墨烯的重要衍生物，具有超大比表面积、高吸附性能以及良好的生物相容性。基于此，本文第三章研究中选择与高分子载体相比具有更高药物负载效率的氧化石墨烯作为载体用于蛋白递送。本研究发现，氧化石墨烯对蛋白药物表现出更高的负载和递送效率，而且聚乙二醇修饰的氧化石墨烯具有很低的体外毒性，并且可以保护吸附在其上的蛋白质不被酶降解。更重要的是，通过氧化石墨烯递送的功能性蛋白质仍可以保持其生物活性，进而调控细胞新陈代谢。 ⑶在上述氧化石墨烯有效吸附蛋白工作基础上，本文第四章通过静电纺丝技术将氧化石墨烯掺杂到聚乳酸·羟基乙酸共聚物纳米纤维中，获得具有富集培养条件中的蛋白质及小分子作用的组织工程基底。研究发现，掺杂氧化石墨烯的纤维支架可以有效吸附培养环境中的蛋白质和促进间充质干细胞成骨分化诱导剂地塞米松，有利于间充质干细胞的粘附和生长及促进成骨分化，有望在骨修复等领域找到广泛的应用。 ⑷相比于静电纺丝技术制备的纳米纤维膜支架材料，水凝胶同样也是一种良好的组织工程基底并且具有三维空间结构。更重要的是，三维水凝胶作为细胞培养支架具有生物可降解性及良好的生物安全性，其立体孔洞结构可以更好的模拟体内细胞生长环境。在本博士论文第五章中，作者利用甲基纤维素、明胶和琼脂糖等天然高分子在交联剂N N-羰基二咪唑（carbonyldiimidazole，CDI）和致孔剂存在下，设计并合成了基于天然高分子的三维多孔水凝胶。通过控制CDI用量调节甲基纤维素网格结构的交联程度，从而有效调控三维多孔水凝胶孔洞的大小、密度和材料的机械强度。研究发现，间充质干细胞可以在甲基纤维素三维多孔水凝胶基底上粘附生长。更重要的是，本实验发展的甲基纤维素水凝胶在没有成骨分化诱导剂的培养条件下就可以明显促进间充质干细胞向成骨细胞分化，并且该基底的机械强度显著影响植入的间充质干细胞向成骨细胞分化程度，这对于其在骨组织工程领域的应用具有重要意义。