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目的:研发人工骨植入材料仍然是临床和实验室研究的热点。钛和钛合金因其良好的生物相容性、优良的机械特性和耐腐蚀性广泛应用于各种骨替代材料。但由于钛合金是惰性金属,不能提供有利于周围骨组织生长的生物微环境,常常导致骨植入材料的愈合时间长甚至失败。通过材料表面修饰的方法,在保持其良好的机械性能的同时,可以赋予钛合金生物活性,提高宿主组织的生物学反应。骨组织的再生和重塑过程需要多种生理信号,包括生化、电和机械共同作用以确保功能恢复。人体骨骼是一种“压电材料”,在受到机械力作用时,其产生的微电环境能够促进骨形成和骨重塑。压电材料可以模拟骨的压电性质,承受载荷时,不需要外部电源就能向细胞或受损组织提供电刺激。钛酸钡（barium titanate,BT）压电陶瓷是一种生物相容性和压电性能良好的压电材料。本研究拟在Ti6Al4V（titanium-6aluminum-4vanadium,TC4）表面原位合成BT压电陶瓷涂层,形成BT/TC4复合材料,将TC4材料的机械性能和BT压电陶瓷的压电性能结合起来。同时,低强度脉冲超声波（low-intensity pulsed ultrasound,LIPUS）是一种近年来比较受认可的促进骨愈合修复的物理刺激方法,其本身是一种机械波,可以利用LIPUS的机械性能,实现动态机械力学加载,拟激发BT/TC4材料的电信号,模拟骨的电生理过程。本研究拟通过水热合成法将BT压电陶瓷涂层制备于TC4表面,制备BT/TC4复合材料,首先评价材料的表面形貌、电学性能和生物相容性。再将LIPUS作用于BT/TC4复合材料,研究材料表面小鼠前成骨细胞（mouse embryo osteoblast precursor cells,MC3T3-E1）的生物学反应,并初步揭示其反应机制,为“压电材料结合超声”这一治疗方法的临床应用提供基础数据。研究方法:第一部分:水热合成法在TC4基底材料表面制作BT压电陶瓷涂层（BT/TC4材料）;通过扫描电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）和能量弥散X射线谱（energy-dispersive X-ray spectroscopy,EDS）对BT/TC4材料形貌和元素的检测,评价水热合成法制备BT压电陶瓷涂层的效果;通过X线衍射技术（X-ray crystallography,XRD）分析BT/TC4材料晶体相结构;介电测试仪测量BT/TC4材料的介电常数,电化学工作站测量TC4和BT/TC4两种材料在有无超声波（频率:1MHz;强度:30m W/cm2）作用时的电流值,评价BT/TC4材料的电学性能。通过细胞增殖检测试剂盒（cell counting kit-8,CCK-8）检测MC3T3-E1细胞在两种材料表面的增殖,评估BT/TC4材料的生物相容性。第二部分:将MC3T3-E1细胞在材料表面复合培养,随机分为超声BT/TC4组、超声TC4组、对照BT/TC4组和对照TC4组四组。通过实时荧光定量PCR（Real-time quantitative PCR,qPCR）检测各组相关成骨指标基因碱性磷酸酶（alkaline phosphatese,ALP）、骨钙素（osteocalcin,OCN）和Runt相关转录因子2（runt-related transcription factor 2,Runx-2）mRNA的相对表达量,通过蛋白免疫印迹技术（western blot,WB）检测各组成骨指标ALP、Runx-2和Ⅰ型胶原（type I collagen,Col1）蛋白表达水平,探究LIPUS作用于BT/TC4材料对表面MC3T3-E1细胞成骨作用的影响;通过液相层析串联质谱（Liquid Chromatograph-mass Spectrometer,LC-Mass）非靶向代谢组学方法筛选差异代谢物,探究LIPUS作用于BT/TC4材料对表面MC3T3-E1细胞代谢物表达的影响;通过生物信息学分析对差异表达的代谢物进行KEGG Pathway功能富集分析。第三部分:将MC3T3-E1细胞在材料表面复合培养,随机分为超声BT/TC4组、超声TC4组、对照BT/TC4组和对照TC4组。通过钙离子成像技术检测7d时各组MC3T3-E1细胞内钙离子浓度,比较四组MC3T3-E1细胞内钙离子浓度的变化;将上述每一组再分别随机分为空白组、L型钙离子通道阻滞组（维拉帕米组）和钙库阻滞组（SKF-96365组）,1d时通过钙离子成像技术观察在有无阻滞剂添加后,四组MC3T3-E1细胞内钙离子浓度的差异性是否消失;通过WB检测7d时各组MC3T3-E1细胞的Ca V1.2蛋白的表达水平,通过qPCR检测MC3T3-E1细胞内Ca V1.2mRNA的相对表达量,比较四组MC3T3-E1细胞的L型钙离子通道蛋白Ca V1.2的基因和蛋白表达变化。结果:第一部分:SEM对BT/TC4和TC4两种材料进行了观察和分析,可见BT/TC4材料表面颗粒分布均匀、连续无明显缝隙,颗粒大小一致,直径约为50nm,而TC4材料表面不能看到颗粒分布;EDS通过观察元素波形发现BT/TC4表面存在Ba元素;XRD结果表明,Ba元素的特征峰明显,涂层由四方相BaTiO3构成;BT/TC4材料介电常数在800～1000;通过电化学工作站测量超声波作用下BT/TC4材料产生约10μA/cm2的微电流,而TC4材料在超声波作用下无微电流产生;通过CCK-8检测,发现MC3T3-E1细胞在两种材料上的细胞数均随时间的延长而增加,在第4、7d时,BT/TC4材料表面成骨细胞的生长速率明显高于TC4材料表面成骨细胞的生长速率（p<0.05）。第二部分:qPCR结果:对照BT/TC4组的ALP、Runx-2、OCN的mRNA相对表达量高于对照TC4组（p<0.05）,超声TC4组的ALP、Runx-2、OCN的mRNA相对表达量高于对照TC4组（p<0.05）,超声BT/TC4组的ALP、Runx-2、OCN的mRNA相对表达量高于对照BT/TC4组（p<0.05）、超声TC4组（p<0.05）和对照TC4组（p<0.05）;WB结果:对照BT/TC4组ALP、ColI、Runx-2的蛋白表达量高于对照TC4组（p<0.05）,超声TC4组ALP、ColI、Runx-2的蛋白表达量高于对照TC4组（p<0.05）,超声BT/TC4组ALP、ColI、Runx-2的蛋白表达量高于对照BT/TC4组（p<0.05）、超声TC4组（p<0.05）和对照TC4组（p<0.05）;LC-Mass非靶向代谢物检测结果:在负离子模式中,超声BT/TC4组相比于超声TC4组,45个代谢物上调,46个代谢物下调。在正离子模式中,超声BT/TC4组相比于超声TC4组,49个代谢物上调,40个代谢物下调;采用masshunter软件对Metlin数据库筛选出的差异代谢物进行鉴定,最终确认29个差异代谢物,对其中6个差异性表达的代谢物进行KEGG富集分析,得到7条可能与成骨相关的代谢通路,其中包括钙离子代谢通路和能量供应代谢通路。第三部分:荧光显微镜下钙离子成像分析结果:7d时,超声TC4组细胞内浓度明显高于对照TC4组（p<0.05）,对照BT/TC4组明显高于对照TC4组（p<0.05）,超声BT/TC4组明显高于对照BT/TC4组（p<0.05）、超声TC4组（p<0.05）和对照TC4组（p<0.05）。应用阻滞剂1d时,空白组内4组材料的MC3T3-E1细胞内钙离子浓度表现出差异性:超声TC4组细胞内浓度明显高于对照TC4组（p<0.05）,对照BT/TC4组明显高于对照TC4组（p<0.05）,超声BT/TC4组明显高于对照BT/TC4组（p<0.05）、超声TC4组（p<0.05）和对照TC4组（p<0.05）;维拉帕米阻断L型钙离子通道后,和空白组相比,维拉帕米组内4组材料的MC3TC-E1细胞内钙离子浓度的差异性消失;SKF-96365抑制钙库后,SKF-96365组内4组材料的MC3TC-E1细胞内钙离子浓度的差异存在:超声TC4组细胞内浓度明显高于对照TC4组（p<0.05）;对照BT/TC4组明显高于对照TC4组（p<0.05）;超声BT/TC4组明显高于对照BT/TC4组（p<0.05）、超声TC4组（p<0.05）和对照TC4组（p<0.05）。qPCR和WB结果:MC3T3-E1细胞的Ca V1.2内mRNA相对表达量和蛋白表达水平,超声TC4组明显高于对照TC4组,超声BT/TC4组明显高于超声TC4组、对照BT/TC4组和对照TC4组,对照BT/TC4组和对照TC4组没有差异。结论:第一部分:通过水热合成法将钛酸钡陶瓷涂层成功制备于TC4表面,BT/TC4材料表面涂层致密且结构一致;具有较好的电学性能,在超声波（频率:1MHz;强度:30 m W/cm2）作用下可产生大约10μA/cm2的微电流;BT/TC4材料有良好的生物相容性。第二部分:LIPUS和BT/TC4材料均可以促进MC3T3-E1细胞的成骨分化,LIPUS作用在BT/TC4材料产生压电效应进一步促进了MC3T3-E1细胞的成骨分化;LIPUS作用BT/TC4材料产生压电效应使MC3T3-E1细胞29种代谢物差异表达,其中6种代谢物可能与7条成骨代谢通路相关,其中包括钙离子代谢通路和能量供应代谢通路。第三部分:LIPUS和BT/TC4材料均可以促进MC3T3-E1细胞钙离子的内流,LIPUS作用在BT/TC4材料的压电效应进一步促进了该效应,其原因可能是LIPUS作用在BT/TC4的压电效应促进了L型钙离子通道的开放;LIPUS可以促进MC3T3-E1细胞L型钙离子通道蛋白的表达,BT/TC4在LIPUS作用下所产生的压电效应进一步促进表面MC3T3-E1细胞L型钙离子通道蛋白的表达。LIPUS激发BT/TC4材料产生压电信号提高了其表面MC3T3-E1成骨细胞的生物学反应。BT/TC4材料作为新型骨植入材料联合LIPUS,这一治疗方法具有应用于临床的可能性。