骨骼是维持人体正常生理功能的重要组成部分,具有承受外力、支撑器官等功能。骨缺损是临床常见病症,一般分为病理过程造成的骨缺损和人为因素所致的骨缺损。由于骨缺损的存在,常造成骨不连接、延迟愈合或不愈合及局部功能障碍,给人们的生产生活带来极大困扰。植入骨修复材料是治疗大段骨缺损的首选办法。现阶段,临床常用的骨修复材料主要包括天然骨修复材料与人工骨修复生物材料两大类。天然骨修复材料由于供体受限、二次手术、形状难以控制等问题,往往无法满足骨缺损修复需求。人工骨修复生物材料来源广泛、容易加工,但存在免疫排斥反应、无骨诱导性等问题,同时,《“十四五”卫生与健康科技创新专项规划》中明确指出要重点突破新型骨关节运动系统外科植入材料、骨/软骨一体化再生修复材料等研发。因此,研究出安全、有骨修复功能的新型骨修复材料已经成为相关从业人员研究的热点。β-磷酸三钙(β-TCP)生物陶瓷作为近年来开发的骨修复材料的典型代表,凭借良好的生物相容性、生物降解性、生物矿化性、骨传导性以及植入人体后不会产生毒副作用等优势广受关注。但是,β-TCP的力学性能不佳,脆性较大,承受外力冲击能力差,无诱导成骨能力。为此,通常向β-TCP中添加金属元素或加工三维网状的仿骨多孔结构。其中,锶离子(Sr~(2+))与锰离子(Mn~(2+))有重建骨骼、维持骨骼稳定性,增强力学性能和生物学性能的重要作用;而三维贯通的网状结构有利于血管、新生骨组织的长入以及营养物质的输送。但是目前的研究工作主要聚焦于金属离子改性或多孔结构设计单一要素作用对β-TCP的多种性能影响,忽略了金属离子与多孔结构协同作用下β-TCP的关键性能变化规律,未能从深入分析仿骨多孔生物陶瓷材料的力学性能、成骨性能增强机理,无法有效推进实验室成果实际应用进程。因此,针对当前β-TCP生物陶瓷力学性能、成骨性能差的关键科学难题,本论文从仿生学的角度开展Sr~(2+)、Mn~(2+)改性β-TCP仿骨多孔生物陶瓷材料的性能研究与机理分析,包括改性后仿骨多孔生物陶瓷材料的力学性能、摩擦磨损性能、体外降解性能、矿化性能、细胞毒性、抗菌性能、体内成骨性能。具体内容如下:首先,根据仿生学原理,模拟天然骨的结构特点和组分,通过溶胶凝胶法按照Ca+Mn/P=1.5的比例合成Sr~(2+)、Mn~(2+)改性β-TCP粉体。随即对其表面形貌、物相组成、粒径进行系统分析,结果表明,制备的粉体纯净无杂质,粒径分布均匀,Sr~(2+)与Mn~(2+)被成功添加AZD6738分子式到β-TCP粉体之中,Sr~(2+)与Mn~(2+)的掺杂对β-TCP粉体粒径影响不大,整体控制在40μm以下。其次,揭示了Sr~(2+)、Mn~(2+)对β-TCP仿骨生物陶瓷的力学性能增强机理。以Sr~(2+)、Mn~(2+)改性β-TCP粉体为基体,以硬脂酸为致孔剂,PVA为粘结剂,采用造孔剂法制备了Sr~(2+)、MPF-02341066溶解度n~(2+)改性β-TCP仿骨多孔生物陶瓷材料,并对其进行XRD、FTIR、SEM、ICP-OES表征和力学性能测试,结果表明,制备的仿骨多孔生物陶瓷材料纯净无杂质,结晶度好,Sr~(2+)与Mn~(2+)的掺杂引起β-TCP晶格畸变。仿骨多孔生物陶瓷材料内部空间为三维网状结构,贯通性良好。添加30%硬脂酸含量的仿骨多孔生物陶瓷材料气孔率最高,1Sr-1.5Mn-TCP的力学性能最好。随后,展开了Sr~(2+)、Mn~(2+)改性β-TCP仿骨多孔生物陶瓷材料摩擦磨损机理研究。对比三种典型润滑条件(干摩擦、润滑环境为生理盐水和模拟体液(SBF溶液))下仿骨生物陶瓷的摩擦磨损行为,揭示了润滑环境、转速、载荷对仿骨生物陶瓷的摩擦磨损行为的影响规律,同一材料在干摩擦下,磨损机理为粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损;在SBF溶液中磨损机理为磨粒磨损和疲劳磨损;在生理盐水中磨损机理为腐蚀磨损、疲劳磨损。接着,对Sr~(2+)、Mn~(2+)改性β-TCP仿骨多孔生物陶瓷材料降解、矿化性能进行研究。揭示了仿骨多孔生物陶瓷材料在体外降解的降解与矿化协同作用机制:降解产生的钙、磷离子由于局部饱和度过大在材料表面及内部进行矿化沉积。Sr~(2+)、Mn~(2+)掺杂量的增加会使矿化沉积作用增强。同时,探讨了仿骨多孔生Non-symbiotic coral物陶瓷材料孔径,气孔率对类骨磷灰石物质生成的影响规律:仿骨多孔生物陶瓷材料的大孔径和高气孔率,导致降解过程中溶液偏碱性,更利于类骨磷灰石物质的生成。仿骨多孔生物陶瓷材料力学性能均有所下降,1Sr-1Mn-TCP仿骨生物陶瓷的维氏硬度和抗压强度最高。最后,进行了Sr~(2+)、Mn~(2+)改性β-TCP仿骨多孔生物陶瓷材料生物相容性研究。揭示了细胞毒性机理、抗菌机理。为了评估其生物学性能,本文以大鼠骨髓间充质干细胞为观察对象进行了相关体外试验,观察仿骨多孔生物陶瓷材料表面细胞的粘附、增殖及分化效果,同时通过检测碱性磷酸酶的表达量验证改性后仿骨多孔生物陶瓷材料的细胞毒性;验证了改性后仿骨多孔生物陶瓷材料的抗菌性能,1Sr-1.5Mn-TCP的抑菌效果最明显;最后又通过建立新西兰大白兔股骨髁缺损模型来评价不同物相组成的仿骨多孔生物陶瓷材料在体内的骨修复重建效果。第十二周五种仿骨多孔生物陶瓷材料的骨缺损区域均出现了高密度的骨组织修复,1Sr-1Mn-TCP的骨诱导能力最强,最有利于骨组织的生长。在此基础上,对Sr~(2+)、Mn~(2+)改性β-TCP仿骨多孔生物陶瓷材料的骨组织再生机理进行了阐述。以完整的体系从多个角度分析评价了离子掺杂量、孔径、气孔率可以对β-TCP仿骨多孔生物陶瓷材料的理化性质和生物学性能产生不同影响。同时对β-TCP仿骨多孔生物陶瓷材料植入生物体进行了初期探索。