钛及其合金因其良好的生物相容性及与骨组织匹配的力学性能已被广泛应用于骨组织工程。然而生物惰性限制了钛植入物的骨整合能力,使得植入体内后骨结合较为缓慢,甚至导致植入物的松动与脱离。尽管人们通过对钛植入物进行表面处理来提高植入物的骨整合能力,但这些方法存在成本较高或效果不佳的问题,制约了其在临床上更好的应用。开发新的表面工程方法,将多种促进成骨的技术相结合,协同提高植入物的生物活性,是进一步提高植入物骨整合能力的可行策略。此外,骨损伤修复不仅涉及骨的形成,还涉及骨组织周围其他受损组织。外周神经通过分泌神经递质和轴突引导因子等来参与骨的发育与修复过程。新生骨组织若没有神经形成,会导致功能缺失,从而导致预后不良。面向临床治疗的骨组织工程应考虑骨组织的多部位修复,包括骨和神经。针对以上问题,本论文选择具有代表性的钛金属作为基础材料,以提高骨整合能力为目标,对钛材进行表面改性。通过构建表面形貌与引入无机活性离子来提高植入物的生物活性,以实现对干细胞命运的调控,提高植入物的骨整合能力,促进受损骨组织的修复及再生。本论文的主要研究内容如下:（1）电化学锌嵌入二氧化钛纳米管阵列提高钛植入物骨整合能力受可充电电池离子插层原理的启发,提出利用电化学方法来实现金属离子在二氧化钛纳米管阵列的嵌入-脱出,将锌离子嵌入到钛基植入物表面垂直生长的二氧化钛纳米管阵列中。嵌入植入物的锌离子在与干细胞共培养或者与体内微环境接触的过程中缓慢释放,调控干细胞成骨分化,从而提高钛植入体的骨整合能力。阳极氧化法生长的纳米管阵列的长度约为1.3 μm,直径约为80 nm。该电化学离子嵌入方法可以在不破坏植入物表面形貌的同时实现锌离子的注入,能够发挥纳米管表面形貌和锌离子两种因素的协同作用来提高植入物的生物活性。该方法所制备的植入物可以实现锌离子长期的缓释,不仅可以起到长效促进大鼠骨髓来源的间充质干细胞（rBMSCs）成骨分化作用,而且可避免因锌离子释放动力学过快而引起的细胞毒性。以组织培养爬片及二氧化钛纳米管阵列为对照,通过实时定量聚合酶链式反应（qPCR）在基因水平上证实锌嵌入的二氧化钛纳米管阵列可以上调成骨分化相关基因Runx2、骨桥蛋白（OPN）以及骨钙蛋白（OCN）至对照组的2.95,4.04和8.55倍;锌嵌入的二氧化钛纳米管上细胞的碱性磷酸酶的活性也有所提高;通过使用Western blot和免疫荧光证实锌嵌入的二氧化钛纳米管在蛋白水平上促进BMP2、OPN,OCN等相关蛋白的表达;此外,体外矿化水平的提高也通过茜素红染色来证实。上述试验结果证明了使用该方法构建的锌嵌入的二氧化钛纳米管阵列可以促进间充质干细胞的成骨分化。此外该方法所涉及的二氧化钛纳米管阵列的制备和锌离子的嵌入不受材料结构的限制,可以在任意复杂曲面上实现锌嵌入二氧化钛纳米管阵列的构建。使用大鼠的股骨缺损模型证实了该方法处理过的植入物可以显著提高植入物周围的新骨生成,证明该方法可以显著提高钛基植入物的骨整合能力。该方法为进一步提高植入物的生物活性,提高植入物的骨整合能力提供了一种新方法。（2）构建钛酸钾组装的二氧化钛复合纳米管阵列用于植入物表面骨-神经多向分化调控利用水热合成的方法制备了一种钛酸钾组装的二氧化钛复合纳米管阵列。细胞活死染色以及CCK-8测试证实所制备的复合阵列没有可以察觉的细胞毒性,可以用来调控间充质干细胞和神经干细胞的分化。二氧化钛复合阵列具有钾离子缓释性能,通过q-PCR、Western blot、免疫荧光染色、钙火花成像等技术分别在基因和蛋白水平上证实了复合阵列在提高间充质干细胞的成骨分化的同时促进神经干细胞向神经分化。这种双功能的生物材料有望实现植入物与周围骨组织之间全功能界面的构建和实现更好的骨缺损修复,为骨组织的修复与再生临床应用提供了一种创新可靠的策略。综上所述,本论文通过构建表面形貌与引入无机活性离子来提高植入物生物活性。所制备的材料具有生物相容性,能够调控干细胞的命运。动物体内实验验证了生物活性植入物可以促进新骨生成,具有提高的骨整合能力和组织修复临床应用的潜力。本文提出的方法为提高植入物生物活性和骨整合能力以及更好的临床推广提供了新途径。