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骨是人类最重要的器官之一，同时也是最容易引起损伤的组织。近年来因疾病、创伤、自然灾害等原因导致骨损伤发病率持续上升，骨修复材料的临床需求巨大。但是目前的骨修复材料大多存在生物活性不足的缺点，导致修复速度慢，修复效果不理想，特别是依靠自身骨修复能力无法愈合的大段骨缺损，伤残率更高。如何提高材料的综合性能成为亟待解决的临床难题。另外，理想的骨修复材料应具有优良的生物相容性、生物活性、可降解性，以及与天然骨相匹配的良好的力学性能。单一组分的材料往往难以同时满足要求，兼具各组分特点的复合生物材料成为研究热点，特别是有机-无机杂化材料，因其充分结合了高分子的柔韧性、可降解性以及无机材料的刚性和生物活性而备受关注。本研究从仿生人体骨组织结构多级结构的思路出发，针对骨修复过程中的细胞响应、成骨分化、血管新生三个关键要素，从材料组成、结构优化以及生物因子装载等角度构建新型具有高活性的骨修复材料，并从细胞生物学与体内动物实验等方面较系统地研究材料的组成、结构、生长因子及其之间的协同作用对细胞行为和组织形成过程的影响规律。基于以上思路，本文开展了以下研究工作: (1)水凝胶因其独特的交联网络结构和高含水特点成为生物材料的研究热点，但水凝胶的力学性能不理想，特别在含水情况下力学强度较低，在组织修复方面的应用受到限制。针对此问题，本论文以聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA)为基本凝胶网络，引入尺寸均一、具有大孔容和高比表面积的羟基化介孔纳米二氧化硅(MSN-OH)作为物理交联点，通过原位溶液聚合方法合成了PEGDA/MSN-OH纳米复合水凝胶(NC Gel)。纳米介孔颗粒物理交联点的引入使得水凝胶的力学强度获得较大改善。同时，介孔颗粒的高蛋白吸附特性明显提高了细胞在凝胶表面的粘附和增殖。上述研究表明，引入介孔纳米颗粒作为物理交联点的方法可显著改善水凝胶的力学性质，采用该方法制备的MSN-OH/PEGDA纳米复合水凝胶有望成为一种新的组织修复材料。 (2)高分子聚酯基材料的细胞亲和性差是导致此类支架的修复速度慢的主要原因之一。本研究在快速打印制备的3-羟基丁酸与3-羟基己酸共聚酯(PHBHHx)支架上，采用表面涂层和原位自组装方法制备介孔生物玻璃(MBG)表面改性的PHBHHx支架。对涂层前后支架的微观结构对比研究表明，表面介孔MBG涂层对三维支架的孔径和孔隙率未产生显著影响，但支架的表界面状态发生变化。SEM和AFM表征显示支架表面粗糙度也随涂层次数增加而提高，同时MBG引入使得高疏水的PHBHHx表面的亲水性得到改善，并且在模拟体液中磷灰石层在支架表面沉积，复合支架表现出良好的生物活性。表界面状态的变化影响支架表面的细胞行为，将入骨髓间充质干细胞（hMSCs）与支架共培养发现:hMSCs在MBG改性后的支架表面粘附量明显提高;同时，MBG表面涂层改性的支架的碱性磷酸酶活性也出现明显上调，显示支架表面的MBG涂层有利于细胞的成骨分化。本研究原位沉积-自组装介孔玻璃涂层的策略为高分子支架的表面改性提供了一种简单有效的方法，所制备的表面纳米介孔MBG涂层PHBHHx支架在不影响孔径和孔隙率的情况下，明显改善了支架的表界面状态，由此导致细胞在支架表面更好地粘附和铺展，并且有利于成骨分化;同时介孔结构的引入也为生长因子的固载和缓释提供了调控手段。 (3)针对聚酯基支架细胞亲和性不理想的问题，制备了具有20 nm孔径的大介孔硅钙纳米颗粒(SMC)，并将其引入到PHBHHx支架中制备了大孔-介孔多级结构复合支架，考察了引入介孔材料对支架的理化性能和体外生物活性以及细胞响应行为的影响。研究表明，与单纯PHBHHx支架相比，PHBHHx/SMC复合材料具有更好的体外生物活性。支架中大介孔颗粒的引入使得生长因子的负载量提高，并且延长生长因子的释放时间。支架表面的细胞行为研究表明，复合支架具有良好的细胞亲和性，hMSCs细胞在支架表面的粘附显著增加，并且铺展更好;并且细胞的碱性磷酸酶表达随着SMC加入量增加而提高，茜素红染色后显示出更明显的矿化结节，表明引入SMC有利于成骨分化，加速矿化进程。相关的成骨基因表达研究发现，引入SMC后与成骨过程密切相关的因子如OPN、OCN、BSP和Runx2表达均出现上调，表明引入SMC后有利于成骨分化。本研究表明采用引入大孔径介孔的方法能显著提高细胞在支架表面的粘附和铺展，并且有利于成骨分化。 (4)血管化是骨修复成功的关键，特别是在大段骨修复时，及时、良好的血管再生尤为重要。本研究采用分级组装的策略，制备了具有介孔、微孔和大孔多级孔道组合的PHBHHx/SMC复合支架。将其负载骨形态发生蛋白rhBMP-2后用于兔子桡骨大段骨缺损修复，评价了支架材料的孔道结构对于骨修复效果的影响。研究表明，大孔-微孔-介孔结构复合支架具有最快的新骨生长速度，Micro-CT，序列荧光和组织切片结果均表明三级结构材料骨修复在4w，8w和12 w各时间段的骨修复效果均明显好于一级纯PHBHHx支架、PHBHHx/SMC二级支架。对骨修复区域进行血管重建发现三级结构支架在4w和8w出现更密集的血管网络和血管数量，表明支架的多级结构有利于缺损区域的血管重建，良好的营养传输使得骨修复进程加速。缺损区域的免疫组化分析也显示，多级结构实验组CD31阳性表达明显高于其他组，并且后期出现了明显的类血管样组织。12 w新骨生物力学性能测试表明，PHBHHx/SMC三级支架最大弯曲载荷为252.6 N，接近正常健康兔骨279.8 N的数值;而引入纳米介孔颗粒的PHBHHx/SMC二级支架最大弯曲载荷为213.4N，也远高于空白组和PHBHHx组。 (5)针对现有骨水泥材料存在的粘性不足、固化慢等临床问题，在磷酸钙骨水泥(CPC)的基础上，改进了固化体系，引入高分子聚多糖壳聚糖和柠檬酸，制备具有粘性的磷酸钙基复合骨水泥。研究考察了固化液的组成对骨水泥理化性能及粘接性能的影响规律，并初步评价了其细胞亲和性。固化体系中的柠檬酸加快了磷酸盐的水化反应，同时提高了粘结强度和抗溃散能力;高分子壳聚糖对钙离子的螯合作用进一步提高了材料的内聚强度和粘结强度。这种具有粘性的新型磷酸钙基骨修复材料，有望作为骨粘合剂用于粉碎性骨折中碎骨片的粘结。