恶性肿瘤即癌症仍是目前难以根治的疾病,恶性肿瘤的无限增殖和极强的转移特性是其致命的主要原因,严重的危害着人类生命健康。循环肿瘤细胞（CTCs）是近十几年来研究应用的仅有的几个新型肿瘤分子标志物之一,可用于癌症检测,确诊和预后监控。但是基于抗体分离技术的临床应用因为不同细胞的靶抗原表达的异质性和差异性而受到限制。近年来随着纳米科学技术的发展以及组织工程学的进一步完善,许多纳米材料的研究已经逐步应用到生物医学、环境科学等多个领域。已有研究表明特定宽深比的纳米结构生长的基底表面是研究细胞过程并设计新颖的设备来控制细胞行为的有前途的工具,细胞和纳米结构基底之间的相互作用可以模拟肿瘤的生长所处的微环境,而微环境中的力学特性的改变和细胞的各种行为之间存在着一定联系。因此,有必要充分了解纳米材料的结构以及纳米材料细胞生长过程中的耦合关系,以充分利用其独特的特性。本论文通过等离子聚合技术制备了两种不同结构的纳米森林阵列,以HeLa细胞为例,研究了不同力学特性下的纳米阵列对与癌细胞捕获能力的影响,实验与有限元模拟数据显示本研究中制备的两种硅纳米森林阵列可对细胞进行不同弯曲特性的力学响应,从而产生不同力学刺激;随后评价了基底与癌细胞之间的相互作用对于细胞活性以及细胞行为的影响,结果表明硅纳米森林阵列改变了HeLa细胞粘附形态和迁移行为,NCW基底和NFCW基底对比普通硅片增大了2-3倍的细胞捕获效率,并且减少了20-30%细胞迁移效率;最后通过粘附蛋白Vinculin的表达分析了基底和细胞间的相互耦合作用,结果表明NCW基底Vinculin的表达数量是其他组的1.7-2倍,所以本研究分析Vinculin的高表达是NCW基底增强细胞捕获能力并且减少细胞迁移行为的主要原因。综上所述,纳米结构可以作为分离CTCs的有前途的方法,并与表面标记物的表达或CTCs的大小无关。本文所制备的一种特定纳米尺度形貌的硅纳米阵列可以增强与细胞之间的相互作用,可以在不另外使用捕获抗体的情况下提高细胞捕获效率,同时可以提供良好的生物相容性,保证捕获细胞的活性,有利于捕获细胞的后续检测表征。这项研究采选择出了一种优化的纳米形貌,为进一步改善细胞捕获效率提供有用的信息,这也为纳米基底的临床应用和癌症治疗提供了一些帮助。

钛（Ti）凭借自身优异的性能被广泛应用于牙科植入物假体,在口腔种植领域取得了良好的效果。但Ti种植体在广泛的临床应用中仍面临着一些难以解决的问题,总结起来主要有三方面:其一,Ti材料本身具有生物惰性,在体内的骨整合速度缓慢,在其表面制备羟基磷灰石（HA）涂层是提高Ti种植体生物活性较好的解决办法,但涂层与基底结合不牢固的问题始终难以解决;其二,当种植者为一些身体状况不佳（如患有糖尿病、骨质疏松症等）的患者时,在植入界面处存在大量活性氧（ROS）,会严重影响骨整合,甚至引起炎症等问题;其三,植入过程中的微生物感染问题也是导致植入失败率较高的主要原因之一。针对以上问题,本论文通过对Ti种植体进行表面改性来提高其综合性能,制备了三种功能化涂层,并系统研究了各涂层的形成机理。主要研究结果如下:（1）通过阳极氧化和煅烧处理在Ti表面制备了一层与基底结合牢固的氧化钛（TiO2）纳米管阵列,然后通过钙化处理在纳米管表面形成了钛酸钙（Ca TiO3）,将Ca2+以化学键合的方式固定到了纳米管层上,最后通过磷酸化处理形成了与基底以化学键合连接的HA涂层。结果证明,所制备的HA涂层与TiO2纳米管层结合牢固,且具有良好的生物相容性以及促成骨细胞增殖和分化的能力。（2）为了赋予种植体抗氧化性能,本研究引入了具有强抗氧化能力的单宁（TA）。将表面修饰有TiO2纳米管涂层的Ti箔在TA-氯化钙（Ca Cl2）溶液中浸泡,并进行低温交联,在表面形成了TA-Ca络合物,并进一步在磷酸化过程中诱导形成了HA/TA复合涂层。结果表明,HA/TA涂层的抗氧化性能突出,生物相容性良好,具有促成骨细胞增殖、粘附的能力。（3）在赋予种植体抗氧化性能的基础上,为了进一步改善种植体的抗菌性能,本研究引入了银（Ag）纳米颗粒作为抗菌剂。首先通过TA在吸附了Ag+的TiO2纳米管表面和内部还原出均匀分散的Ag纳米颗粒,然后先后浸泡TA-Ca Cl2溶液及磷酸钠（Na3PO4）溶液在其表面又形成了一层HA/TA涂层,最终制备出Ag-HA/TA复合涂层。结果表明,该复合涂层赋予了种植体良好的抗菌性能、抗氧化性能以及生物活性。

进入21世纪以来,我国的经济飞速发展,人们的生活得到质的改变,人们的出行速度也越来越快,城市的建筑越来越高,但由此给人们带来的人体损伤也逐年增加。据不完全统计,交通伤和坠落伤已经成为人们受伤的主要形式,并且交通事故和坠落造成的脊柱损伤,成为脊柱损伤的主要原因。从我国脊柱脊髓损伤数据库中,可以发现,坠落造成的脊柱损伤比例为24%,而交通事故造成的脊柱损伤为44%。因此,研究脊柱在冲击载荷作用下的损伤特性至关重要,也可为脊柱的损伤防护和修复提供生物力学依据。因而开展了本文的研究工作,主要的研究内容是通过有限元分析和实验测量的方法,获得兔脊柱单椎体在受到冲击载荷时的损伤特性和规律。本文具体的研究内容·如下:（1）基于兔脊柱的CT扫描图像,通过三维重构方法和逆向工程原理,利用医学图像建模、几何建模和有限元建模和分析软件（Mimics、Geomagic Design、HyperMesh和Abaqus）,建立了兔单椎体T12的几何和有限元模型。（2）通过采用与前期兔单椎体静态压缩实验相同的固定和加载方式,对建立的T12的单椎体有限元模型进行了有效性验证。通过对比和分析静态压缩的有限元模拟获得的载荷—时间曲线与静态压缩实验获得的载荷—时间曲线,发现有限元模拟结果和实验结果的趋势比较吻合,从而验证了该有限元模型的有效性。（3）建立单椎体T12的有限元模型。首先通过Abaqus进行网格质量的敏感性分析并选择合适的网格数量,然后模拟和分析在不同冲击速率和材料属性变化（即不同骨质疏松程度患者）对椎体应力分布的影响。（4）建立同一脊柱的另一单椎体L1的有限元模型,分析在同一工况下不同单椎体T12和L1的力学性能的差异。（5）通过解剖3只191天兔龄的新西兰大白兔,获得T12和L1的单椎体。在Instron CEAST 9350落地式落锤试验机上对单椎体进行冲击实验,从而获得了单椎体在冲击状态下的力学损伤特性。通过有限元模拟和分析与实验数据处理和分析,可以获得如下的几点结论:（1）通过有限元分析,可以发现不同数量的网格对单椎体的应力等参量的计算结果存在一定的影响,尤其对位移的影响较为明显。当网格数量为74224时,有限元分析的计算结果比其它网格数量下的分析结果要合理的多。（2）在不同的冲击速率下,通过分析单椎体整体位移—时间曲线可以得出椎骨材料跟大多数脆性材料一样,当受到垂直载荷作用时,可发生45度角的破坏形式。并且最大的应力数值主要集中在单椎体的两端,应力的传递方向与骨小梁的走向趋势一致。（3）通过对有限元模型赋予5种不同的材料属性,来模拟5种不同程度骨质疏松的单椎体力学性能分析,发现骨密度越低力学性能越差,也易发生骨折等损伤.材料属性的确定也是有限元分析比较重要的一个内容,最好能有相应的实验来确定材料参数,参考的材料参数仅可以作为方法学习,而不能保证有限元分析结果的精度。（4）通过单椎体的落锤动态冲击实验,获得了单椎体的载荷—时间曲线,而且发现曲线由多个峰构成,造成的原因主要是由于椎骨结构复杂,而且椎骨的材料属性为非均质、各向异性和多孔结构的材料;单椎体破坏的过程主要分为两个阶段,第一个阶段是下关节突和椎弓的破坏,第二阶段是椎体的破坏。本文的研究结果,对了解脊柱在受到冲击载荷时所产生的爆裂性骨折的损伤机制以及单个椎体的力学性能具有重要的意义,也为临床医学上对脊柱损伤的评估、治疗以及防护具有一定的参考价值。

骨缺损修复材料是临床需求量最大的生物医用材料之一。引导骨再生（GBR）膜的作用是作为一种屏障,防止软组织向缺损处长入,并通过细胞排斥促进骨再生,从而实现牙周再生。天然骨组织是人体高度矿化的硬组织,主要由有机质（I型胶原及非胶原蛋白）和纳米羟基磷灰石（n-HA）无机矿物以7级分级有序排列的方式相互作用而形成。纤维内矿化胶原是骨组织的基本结构单元,并成为其优异的机械学性能和生物学性能的纳米结构基础。因此,了解天然骨的成分、结构特性以及生物矿化过程,对材料的组成、结构进行设计与调控,这已成为制备新型仿生人工骨修复材料的有效方法。静电纺纳米纤维具有可调控的纳米结构、高孔隙率和大比表面积,可以模拟天然细胞外基质的结构和生物功能,被广泛应用于骨组织工程。仿生矿化是获得结构功能高度仿生的人工骨的有效手段。本文基于对骨组织工程和骨结构、静电纺丝和纤维矿化机制的了解,结合理想骨组织工程支架的性能要求,开发基于静电纺聚酰胺（PA）的仿生人工骨修复材料。PA6/PA66是一种结构与骨胶原蛋白相似的合成聚合物,在人体体液中具有优异的稳定性,同时具有良好的耐磨性、硬度和可纺性。n-HA由于其具有骨传导、生物相容性、化学和晶体结构类似于活骨磷灰石,通常是骨组织工程的潜在材料。本研究以类骨胶原结构的PA6/PA66为基质,通过静电纺丝、表面改性、仿生矿化以及一些表面增强技术,开发基于静电纺PA6/PA66的仿生人工骨修复材料,对其进行深入的生物学性能研究,以期应用于临床骨修复。（1）静电纺丝之前向PA66甲酸溶液中加入CaCl2制备了PA66/CaCl2杂化纳米纤维。然后采用饱和钙磷溶液浸泡法在纳米纤维上形成n-HA涂层。结果表明,在PA66静电纺纤维中加入CaCl2可以实现纤维内部改性,同时可提高静电纺纤维的抗拉强度和模量。Ca2+可以为n-HA的形成提供钙结合位点,增强了静电纺纤维表面n-HA形成能力。矿化的PA66/CaCl2支架具有良好的生物相容性,具有促进成骨细胞增殖黏附的能力。（2）采用静电纺丝技术制备了不同配比的聚酰胺-6/壳聚糖（PA6/CS）支架。PA6与CS的混纺提高了支架的力学性能。通过1.5×模拟体液（1.5×SBF）仿生矿化法在静电纺PA6/CS支架表面制备n-HA涂层。n-HA颗粒呈蜂窝状球形,均匀分布在PA6/CS支架表面。同时n-HA涂层进一步增强了支架的力学性能。结果证明具有细胞外基质样的自然结构和化学性质的矿化PA6/CS复合支架无细胞毒性、具有良好的生物相容性、可促进MC3T3-E1细胞附着和增殖。（3）选定PA6/CS作为纳米纤维增强相,将溶剂浇铸和静电纺丝技术相结合,设计了一种新型PA6/CS@n-HA/PA6双层膜用于引导牙周骨再生。这种新型复合材料模拟了自然骨组织固有的梯度结构,同时也实现了无缝集成的层状结构。n-HA/PA6层与静电纺PA6/CS层通过分子相互作用和化学键合紧密结合,增强了两层之间的结合强度。PA6/CS@n-HA/PA双层膜的抗拉强度和弹性模量分别为1.41±0.18 MPa和7.15±1.09MPa,优于单一n-HA/PA6复合支架。PA6/CS@n-HA/PA6双膜支架具有良好的力学性能、生物安全性、生物活性、生物相容性和骨传导性,有望用于引导骨再生（GBR）。

微球具有高比表面积、良好可流动性等特点,是常用的可注射型细胞载体之一。传统的合成微球表面多是致密结构或者多孔结构,不能很好地模拟细胞外基质的纤维结构,增强细胞与材料之间的相互作用。近年来,有研究表明纳米线不仅可以很好地靶向运输载体,还能够传递生物信息。二氧化钛（TiO2）是一种无机材料,具有稳定的化学性能,在载体材料方面有较大应用前景。丝素蛋白是一种常见高分子材料,具有良好的生物相容性、水溶液稳定性及力学性能等特点,普遍应用于生物医学领域。本研究拟通过简单的水热法首先合成一种具有多级结构的TiO2纳米线微球,然后以丝素蛋白对其表面进行改性合成了丝素蛋白/TiO2纳米线复合微球,并评价了丝素改性前后TiO2纳米线微球的生物相容性,初步研究了其作为细胞载体的应用。本研究主要包括以下三个方面:（1）TiO2纳米线的制备及其表征以钛酸异丙酯为钛源,通过溶胶-凝胶法合成了TiO2纳米颗粒,然后利用碱性水热法在Na OH溶液中处理TiO2纳米颗粒,制备TiO2纳米线。利用SEM、TEM、XRD、FT-IR等仪器对所制备的样品进行表征。结果表明,TiO2纳米颗粒经碱性水热处理后转变为直径约为10-20 nm的纳米线。（2）多级结构TiO2纳米线微球的制备及其表征首先以明胶、TiO2纳米颗粒等为原料,通过乳化法制备了明胶/TiO2纳米颗粒复合微球,经高温煅烧制得TiO2纳米颗粒微球。随后将TiO2纳米颗粒微球在Na OH溶液中水热反应制得TiO2纳米线微球。利用SEM、XRD、FT-IR等仪器对所制备的样品进行表征。经过形貌分析与元素分析可知,TiO2纳米线微球呈现球状多级结构,直径约为550μm;表面由许多纳米线组成,直径约为10-20 nm。TiO2纳米线微球主要由C、O、Ti三种元素组成,主要成分为金红石相和锐钛矿相。（3）TiO2纳米线微球的表面改性及生物相容性评价将TiO2纳米线微球浸泡在丝素/乙醇的混合溶液中对其进行表面改性制得丝素/TiO2纳米线复合微球。然后将TiO2纳米颗粒微球、TiO2纳米线微球、丝素/TiO2纳米线复合微球分别与L929细胞进行共培养,利用MTT法和活/死细胞染色法对细胞的活性分别进行定量和定性研究,并利用SEM表征观察细胞在不同微球上的黏附形态,评价所制备微球的生物相容性。结果发现,与TiO2纳米颗粒微球相比,TiO2纳米线微球上黏附的细胞数量增加。而经过丝素表面改性后,TiO2纳米线微球上黏附的细胞数量明显增多,细胞铺展状况良好。表明TiO2纳米线微球和丝素/TiO2纳米线复合微球均可以作为细胞载体再生材料,且丝素蛋白进一步提高材料的生物相容性,促进细胞的黏附与增殖。

自然界中,生物体内硬组织的形成几乎全部基于矿化作用。基质小泡（MVs）通常被认为是人体骨组织中骨磷灰石形成的初始部位,其参与的矿化过程主要是由于囊泡内部Ca2+和PO43-离子浓度升高,导致磷酸钙最初沉积在MVs膜附近,并最终转化成为羟基磷灰石（HA）晶体。此外,有机基质基于聚合物之间可调节的有机-无机相互作用,使得植入式支架上实现仿生矿化成为可能。在此前提下,通过仿生矿化方法研究骨组织工程支架上具有独特结构的HA晶体的形成不仅可以促进成骨细胞的附着,还可以为诱导矿化前沿新生骨组织的形成提供新策略。藻酸盐（ALG）具有良好的生物相容性且易与二价阳离子交联形成水凝胶,因此被广泛应用于制备骨组织工程支架。然而,宏观支架或水凝胶目前还尚未在临床上成功应用于骨组织重建,其主要原因是宏观植入物的内部物质交换效率有限,植入过程中还会产生较大伤口且难以治疗不规则形状的骨缺损。因此,ALG微球由于具有解决这些挑战的潜力而受到广泛关注。综上所述,本研究采用Ca2+交联的ALG微球作为有机基质,利用DMEM培养基作为矿化液以模拟MVs内部的离子环境,在ALG微球表面仿生矿化形成类骨磷灰石。此外,本研究还研究了矿化ALG微球（M-ALG微球）的形态、矿化原理、细胞相容性和成骨性能。因此,本论文的研究工作可主要分为以下几个方面:（1）根据静电喷射（ES）技术的原理搭建了ES装置。利用ES装置并采用Ca Cl2作为交联剂制备ALG微球。此外,通过改变不同的制备参数探究制备参数对ALG微球的形状和尺寸的影响。结果表明,ALG前体溶液浓度、金属针头内径、推进速度、环形电极内径和加速电压等参数对微球的形状和尺寸有很大影响。因此,考虑到微球的可注射性和物质交换速率等因素,本研究以ALG前体溶液浓度1.5 wt%,金属针头内径0.14 mm,推进速度1.5 m L/h,环形电极内径7 cm,加速电压13 k V为制备参数,制得直径为194±4μm的藻酸盐微球以用于后续实验分析。（2）为了模拟MVs内部矿化起始的过程,本研究使用DMEM培养基作为矿化液,在体外建立了与骨组织矿化起始过程相似的离子环境以进行仿生矿化,且交联位点处的Ca2+可为矿化提供成核位点。结果表明,在矿化前期,初始HA晶体（61.43±9.81 nm）沉积在ALG微球膜附近。随着Ca和P的不断沉积,HA晶体聚集形成了球形HA颗粒（214.89±32.33 nm）,并最终覆盖ALG微球的表面形成HA涂层。此外,M-ALG微球表面的HA颗粒显示出较低的结晶度,这与MVs内形成的类骨磷灰石晶体十分相似。（3）为了研究ALG微球和M-ALG微球的细胞相容性及成骨性能,本研究使用CCK-8法、Live-Dead染色检测和ALP活性检测探究了不同微球对成骨细胞的生长、增殖及分化的影响。结果显示,M-ALG微球表现出良好的细胞相容性,且HA涂层的存在有利于成骨细胞主动迁移并粘附在M-ALG微球表面。ALP活性检测结果显示,M-ALG微球可明显提高成骨细胞的ALP活性（***p＜0.001）,这表明M-ALG微球具有促进成骨分化的能力。

骨骼是一种同时包含固相和液相的孔隙结构,当宏观的骨骼受到力学载荷的作用,微尺度的骨陷窝-骨小管系统（lacunar-canalicular system,LCS）内的骨细胞周围流体的液体通常受到压力和电场的共同作用,而由此引发的流体流动将刺激与流体接触的骨细胞及其附属的初级纤毛和细胞突触等。本文旨在研究在矩形通道和骨陷窝-骨小管系统两种流体环境下的细胞感知到的各种力学信号的分布情况和影响因素。借助Comsol多物理场耦合有限元软件,主要利用有限元分析的方法探讨力电刺激下的多孔黏弹性细胞力学感知作用,并且有利于结合生物力学原理指导骨质疏松、骨关节炎等相关疾病的治疗以及骨损伤后的骨重建等。细胞处于复杂的生理环境之下,附着在细胞表面的初级纤毛被认为是重要的力学信号传感器,其与细胞的代谢、发育、分裂和增殖等生理活动密切相关,为了研究细胞及其初级纤毛在微流体环境下的力传导行为,第二章建立了力-电协同驱动下的矩形微流控通道和含有多孔粘弹性属性的贴壁细胞有限元模型系统。考察了细胞的细胞质和细胞核在振荡层流下的应力、应变、孔隙压力和孔隙流速等力学信号响应,量化研究了初级纤毛作为细胞独特的力学感受器的生物力学行为。为了研究骨陷窝-骨小管系统内流体刺激下的细胞力学信号响应,第三章建立了骨陷窝-骨小管系统内包含细胞质、细胞核、细胞突触、初级纤毛和胶原小丘的细胞模型,考察了力-电驱动骨陷窝-骨小管系统内流体流动时,多孔黏弹性细胞的固相和液相的力学行为。第二章结果表明:细胞在振荡层流下的力学响应表现出和外加力-电驱动载荷相同的震荡规律。渗透率是细胞多孔弹性力学行为的主要影响因素。初级纤毛是细胞主要的力学感受器,细胞可以通过纤毛长度和直径调节其力学感受敏感性（应力影响区域）。随着初级纤毛长度的增大,其纤毛挠曲刚度减小,但是敏感性增大。模型的建立为进一步研究微流体剪切作用下的细胞生长、分化等微观机理提供基础,同时也为检测细胞微结构器（纤毛等蛋白链）的力学性能提供了理论技术支持。第三章的结果表明:细胞突触和初级纤毛都是细胞的力学敏感元件,细胞突触的生长方向和数量也会影响细胞体的力学信号,细胞突触延细胞的长轴方向生长时细胞的力学信号要强于细胞突触延细胞的短轴方向生长的情况,骨小管和细胞突触越多,细胞感知到的力学信号更强烈。胶原小丘的存在强化了细胞突触的力学感知能力,且胶原小丘的弹性模量越大这种效果越好。初级纤毛的力学感知能力表现出位置依赖性的同时却并没有表现出长度方面的依赖性,模型的建立有利于研究细胞微结构对细胞力学的影响。

二氧化钛（TiO2）纳米线是一种典型的纳米无机材料,具有超高的比表面积、优良的光催化活性和较好的生物相容性,已经广泛用于工业和生物医学等领域。基质辅助水热法因操作简单、产物结构易于调控等优点已经成为当前最受欢迎的TiO2纳米线合成方法。传统的基质材料主要包括FTO玻璃及钛片,然而所制备的TiO2纳米线与基质材料之间的界面作用力往往较弱,导致TiO2纳米线易于从基质材料表面脱落,形态与结构难以控制。本研究拟以TiO2纳米颗粒片为基质材料,采用碱性水热反应法在TiO2纳米颗粒片表面原位生长TiO2纳米线膜,通过改变水热温度等参数对其结构与形态进行调控;进一步采用细胞培养方式初步探究了TiO2纳米线膜的生物相容性。本论文主要分为以下三个部分:（1）TiO2纳米线的合成及表征首先以TiO2纳米颗粒为基质材料水热合成TiO2纳米线。以钛酸异丙酯为原料,通过溶胶-凝胶法制备TiO2纳米颗粒;然后以所制备的TiO2纳米颗粒为原料,采用碱性水热法制备TiO2纳米线。利用SEM、EDS、TEM、XRD、FT-IR等对TiO2纳米颗粒和TiO2纳米线进行表征。结果表明,TiO2纳米颗粒呈现不规则颗粒状,尺寸约为50-200 nm;经碱性水热反应处理后,TiO2纳米颗粒（无定形）原位转化为直径约为10±4 nm的TiO2纳米线（锐钛矿相）。（2）TiO2纳米线膜的合成及表征接下来以TiO2纳米颗粒片为基质材料水热合成TiO2纳米线膜。以TiO2纳米颗粒为原料,利用圆柱形不锈钢模具和压片机等装置制备TiO2纳米颗粒片;随后以TiO2纳米颗粒片为基质材料,采用碱性水热法在TiO2纳米颗粒片表面原位生长TiO2纳米线膜。利用SEM、EDS、XRD等对制得的TiO2纳米颗粒片和TiO2纳米线膜进行表征。结果表明,水热反应导致TiO2纳米颗粒片表面形貌由颗粒状转变成纤维状,其表面所含TiO2纳米颗粒原位转化为TiO2纳米线。纳米线的直径随着水热反应温度的改变有显著变化,当水热反应温度从120℃提高至200℃,纤维直径由10 nm增加至1μm。同时随着水热过程的进行,TiO2纳米颗粒的晶体结构也发生了转变,由锐钛矿相逐步转化为钛酸。（3）TiO2纳米线膜的生物相容性研究最后以成纤维细胞L929为模型细胞评价了TiO2纳米线膜的生物相容性。将TiO2纳米线膜与L929细胞共培养,利用MTT法和活/死细胞染色法分别定量和定性评价了TiO2纳米线膜对于细胞活力的影响;同时利用SEM观察细胞在TiO2纳米线膜表面的生长状态。结果表明,TiO2纳米线膜利于细胞的黏附与增殖,具有优良的生物相容性;其生物相容性与纳米线直径有关,较小直径的纳米线更能促进细胞的黏附与增殖。

骨关节炎是一种多因素的复杂疾病,严重威胁人类健康。尽管它的发生和发展的发病机制尚不完全清楚,但软骨缺损已被公认是其过程中的一个重要环节。研究表明,软骨缺损后流体流动行为的改变可能会产生功能性后果,进而反馈到损伤的发展过程中,最终导致软骨的进行性退变。而且由于受损软骨的自愈能力十分有限,人工关节软骨置换和软骨组织工程在关节软骨修复领域显示出良好的应用前景。但无论是人工关节软骨,还是软骨组织工程支架都必须满足一定的形状要求和性能要求,以恢复软骨的正常功能。所以,关节软骨材料特性的表征是研究软骨疾病和软骨修复干预措施的重要前提。迄今,已有大量的工作对关节软骨深度相关的力学特性进行了研究,但这些方法都是基于全层软骨进行表征,而不同区域的软骨可能相互影响。另外生物阻抗分析已被广泛应用于基础和临床科学,它可以检测到组织学上的轻微变化,但目前还没有工作对软骨深度相关的电阻抗特性进行研究。关节软骨深度相关的力学特性和电学特性还有待进一步研究。本文的主要工作及结论如下:（1）本文首先建立了一个简化的多孔弹性关节软骨模型,得到了理想化软骨损伤模型中孔隙流体压力和速度的解析解,通过MATLAB进行赋值计算并与有限元结果对比,结果显示数值解析解与有限元结果具有良好的一致性。进一步地建立了真实的人膝关节软骨的多孔弹性模型,研究了不同的软骨表面缺损对组织内部压力和流速的影响,以进一步探讨软骨退化的机制。此外,由于退变过程中关节软骨的渗透率性明显增加而弹性模量明显降低,本文还讨论了渗透率性和弹性模量的影响。结果显示与正常软骨相比,缺损软骨的间质流体压力和流速均减小,且随着缺损半径或厚度的增加,这一趋势更为严重。随着软骨退化过程的发生,液体流速增加造成严重的营养物质流失,这可能是液体流动参与下的损伤机制。（2）本文对猪关节软骨的上、中、下三层区域分别进行了电阻抗分析,压缩松弛试验以及渗透率测试,得到软骨各个区域关于电阻率,相位角,弹性模量,松弛时间,最终松弛速率以及渗透率的数据集以探讨猪关节软骨的分层力学特性和电学特性,以服务于临床骨关节炎疾病的治疗和诊断及填充修复材料的研究和应用。研究结果表明,不同软骨层的力学性能和电阻抗特性存在显著差异,其中电阻率,弹性模量,松弛时间和最终松弛速率都沿软骨厚度由表层向深层逐渐增大,而渗透率沿软骨厚度由表层向深层逐渐减小。本文采用理论数学建模和有限元的方法对缺损软骨内部的间隙液体流动进行了研究,另外我们还对猪关节软骨的力学特性和电学特性进行了探究,旨在为临床骨关节炎疾病的治疗和诊断及填充修复材料的研究和应用提供数据支持。

目前临床用的骨修复材料多为钛合金、陶瓷、聚合物等,这些材料的生物惰性和不可降解性往往导致二次手术,而且因为材料的硬度过大易造成应力屏蔽,不利于骨缺损部位的修复。因此,生物可降解性骨植入材料被广泛研究,如水凝胶,其具有高含水量和多孔结构,可以作为细胞增殖、粘附、分化的支架。特别是生物性良好的天然材料明胶,通过化学改性后变成甲基丙烯酰胺明胶（Methylacrylamide gelatin,Gel MA）,其具有光固化性、易塑性,特别适用于一些不规则的骨缺损。由于骨骼中的主要无机盐成分就是羟基磷灰石（Hydroxyapatite,HA）,骨修复过程就是钙盐的不断沉积,所以理想的骨植入材料应该具有骨诱导矿化的作用,设计一种具有生物可降解性、骨诱导性、良好生物相容性的植入材料很重要。为了增加支架的骨诱导性,通过仿生矿化在水凝胶表面矿化形成一层HA,在增加骨诱导力的同时,也提高了水凝胶的机械性能。然后通过植入体内后诱导骨组织的自我修复,诱导骨缺损周围自身的骨细胞聚集在多孔支架上,通过不断增殖分化形成新骨组织,同时植入支架在逐渐降解,直到新生骨组织完全代替了植入支架,骨缺损达到愈合。综上所述,本研究采用可光交联的Gel MA和Ca2+交联的海藻酸钠（Sodium alginate,Alg）作为有机模板,模拟生物体内的矿化微环境,在温和条件下（37 oC）利用钙磷溶液交替矿化,在复合水凝胶表面仿生矿化形成HA涂层。然后对复合水凝胶的微观结构、溶胀率、孔隙率、力学性能等进行表征,以及矿化形成HA涂层的形貌、稳定性,最后通过体外细胞实验验证矿化水凝胶的生物相容性和骨诱导性。因此,本论文的研究工作主要分为以下几个方面:（1）利用甲基丙烯酸酐（MA）对明胶改性,生成可光固化的Gel MA,利用Gel MA和Alg制备复合水凝胶,探究不同Alg浓度对水凝胶的溶胀率、孔隙率、孔径等的影响。实验结果表明,Alg的加入使得复合水凝胶的溶胀率有所降低,Gel MA/1%Alg水凝胶的溶胀率降至817.31±26.52%,是因为Alg的加入增加了聚合物网络的交联密度;而且Gel MA中的─NH2和Alg的─COOH之间有较强的离子相互作用,使复合水凝胶具有一系列均匀联通的多孔结构,可以促进微环境中营养物质的运输和代谢废物的排泄。（2）为模拟生物体内的矿化微环境,以水凝胶作为矿化模板,在37 oC条件下进行仿生矿化,将水凝胶先在氯化钙溶液（Ca Cl2）里浸泡,利用Ca2+交联Alg,由此为HA晶体的形成提供成核位点,然后再浸泡在磷酸氢二钾溶液（K2HPO4）中,随着钙盐的沉积逐渐形成HA涂层,而且Gel MA中富含的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）序列也有利于HA的形成,随着矿化时间的增加,水凝胶表面的矿化物沉积越多。实验结果表明,Alg的加入有利于HA涂层的形成,并且形成的HA涂层稳定性较好,矿化后水凝胶的多孔结构未发生明显改变。（3）为验证矿化水凝胶的生物相容性和骨诱导性,将小鼠胚胎成骨细胞前体细胞（MC3T3-E1）分别与未矿化水凝胶和矿化水凝胶共培养,使用CCK-8法、活死染色法、碱性磷酸酶（ALP）测试来检测材料对细胞的增殖、粘附、活力、分化的影响,验证其生物相容性和骨诱导性。实验结果表明,矿化前后水凝胶对MC3T3-E1细胞的增殖和活力无明显影响,细胞可以正常增殖,并且粘附性良好,细胞周围生长较多的伪足,但Gel MA/Alg-HA矿化水凝胶的ALP活力明显高与其他组,其代表有利于细胞的成骨分化,可以促进新骨组织的形成。