偽床上由创伤、感染、肿瘤切除和骨骼异常所导致的骨缺损需要大量的骨移植材料,虽然自体骨一直是骨缺损移植的黄金标准,但其也存在着来源受限和供体损伤的缺点,而异体骨和异种骨临床上虽然也有使用,但是其免疫排斥反应较大,并且存在病毒和疾病传播的风险。骨组织工程的出现,为提供一种安全高效的骨移植替代材料提供了结构和功能设计的可能性。为此,研究一种具有生物诱导活性的支架是骨缺损部位再生的关键。由生物可降解材料制备的可注射微球近些年在组织修复领域得到广泛关注,原因在于其粒径可调,应用形式自由,可以方便地填充到不规则的缺损区域,并且可通过微创手术注射植入,提高了患者的舒适度。脂肪族聚酯类材料是近些年来人们研究的最为广泛的生物可降解材料,其主要包括聚乳酸(PLA)、聚羟乙酸(PGA)、聚己内酯(PCL)及它们的共聚物体系如聚(乳酸-羟基乙酸)(PLGA)等,因为其可调的生物降解性、良好的生物相容性和优良的加工性能,被多国FDA批准用作人体植入材料,已经成为临床应用最多、最重要的合成类生物医用高分子材料,在骨组织工程领域也有着十分广泛的应用。但由这些脂肪族聚酯制备的微球,由于脂肪族聚酯疏水的特性限制了其应用范围,其降解的酸性产物可能导致炎症的发生,其主链本身无功能性基团也限制了其作为组织修复材料的功能发挥。为了实现脂肪族聚酯微球作为可注射微支架,在骨再生修复领域应用获得理想的骨修复效果,本论文基于一种两亲的聚左旋乳酸-聚乙二醇-聚左旋乳酸三嵌段共聚物(PLLA-PEG-PLLA),通过双乳液-溶剂挥发技术制备了表面粗糙的多孔微球,通过多种表面改性手段,赋予微球抑菌性、促血管生成及促成骨活性等多重功能性,并通过多种动物模型试验证实了这些功能化微球作为骨修复材料的有效性。因此,本论文主要围绕以下几点开展了研究:(1)开展了 PLLA-PEG-PLLA嵌段共聚物的合成,并通过双乳液-溶剂挥发技术制备了不同形貌的微球,通过多巴胺、明胶及生物矿化改性微球探索出最佳的微球制备条件;(2)开展了负载双磷酸盐阿仑膦酸钠生物矿化微球的研究,通过新西兰大白兔皮下异位成骨模型评价微球的促成骨能力;(3)开展了同时负载银纳米粒子(AgNPs)及羟基磷灰石(HA),具有抑菌和促成骨双功能性微球的研究,通过兔皮下异位成骨和金黄色葡萄球菌(S.aureus)感染的大鼠颅骨临界缺损模型,评价了微球的体内抗菌和促骨再生能力;(4)开展了同时负载万古霉素及锶元素生物矿化微球的研究,通过兔皮下植入和S.aureus感染的兔股骨踝缺损模型,评价了微球的抑菌、促血管生成及促成骨的多重功能性。具体研究进展简介如下:(1)聚乙二醇(PEG)有着良好的亲水性能和良好的生物相容性,本研究通过将具有双端羟基的PEG作为引发剂,合成了具有不同聚醚含量(10%,30%)的聚酯-聚醚嵌段共聚物,以改善脂肪族聚酯的亲水性。将合成的嵌段共聚物通过双乳液-溶剂挥发技术制备了多孔微球,并将多巴胺或明胶引入到微球表面,起到促进细胞的贴附、提供可反应的基团及为生物矿化提供成核位点的作用,而通过模拟体液(SBF)生物矿化技术引入的HA,不仅可以起到促进成骨的作用,还可以部分中和脂肪族聚酯的酸性降解产物。通过比较研究PLLA和PLLA-PEG-PLLA微球改性前后的物理化学性质及它们对细胞行为的影响,确定了由含有10%聚醚成分的PLLA-PEG-PLLA制备的、具有稳定粗糙表面的微球,适宜作为可注射微球开展进一步的功能化改性和骨再生修复研究。(2)阿仑膦酸钠是一种应用于治疗代谢性骨紊乱相关疾病的药物,其机理是通过促进骨的矿化和抑制骨的吸收,通过调节成骨细胞的活性来促进新骨生成。本研究采用明胶改性制备的表面粗糙的PLLA-PEG-PLLA多孔微球,并采用溶解有不同浓度阿仑膦酸钠的SBF浸泡微球,利用明胶提供矿物沉积生长的成核位点,利用阿仑膦酸钠与HA的强亲和性实现其共沉积负载,得到了负载不同量阿仑膦酸钠的生物矿化复合微球,表现出持续的阿仑膦酸钠释放,并与负载量正相关。体外大鼠骨髓间充质干细胞(BMSCs)培养结果显示,在适当的阿仑膦酸钠负载量下,该微球无明显细胞毒性,利于细胞粘附、铺展和增殖,并能显著促进成骨分化,分化程度与阿仑膦酸钠负载量正相关。将微球注射到兔背部皮下检测其生物相容性和异位成骨能力,与未负载阿仑膦酸钠的矿化微球相比,证实通过阿仑膦酸钠的引入起到了增强微球促进骨生成能力的效果,但未发现其对生物相容性有不利影响。(3)从临床角度来讲,受伤严重的骨组织一般都伴有感染情况的发生,而严重感染会导致骨缺损部位血供不足,影响骨结构的恢复及功能重建,因此具有抑菌和促成骨活性的新型骨修复材料受到了广泛关注。本研究基于前述的表面粗糙的多孔微球,通过聚多巴胺包覆、AgNPs负载及SBF生物矿化改性,制备了一种同时具有抑菌和促成骨双功能的微球用于感染的骨缺损的再生研究。所制备的微球表现出持续的银离子释放行为,释放量随着AgNPs的负载量增加而提高,体外抑菌实验表明,这些负载有AgNPs的微球,能显著抑制大肠杆菌(E.coli)和S.aureus的克隆生长,与AgNPs的负载量和释放量呈正相关。但体外BMSCs细胞培养结果显示,在合适的AgNPs的负载量时,微球并没有表现出显著的细胞毒性,细胞的粘附、铺展、增殖和成骨分化等行为,与未负载AgNPs的矿化微球,没有显著性差异。兔皮下植入实验结果也证实负载与未负载AgNPs的矿化微球,都具有良好的生物相容性,能促进异位成骨。将该双功能微球填充到S.aureus预先感染的大鼠颅骨临界缺损模型,系统评估其体内抑菌及促骨再生的效果。研究结果表明,负载AgNPs的矿化微球具有显著的体内抑菌能力,与空白组和填充未负载AgNPs矿化微球组比较,该双功能微球能更有效地促进新骨生成,随着微球的降解,新生骨体积和骨矿密度都显著高于对照组。(4)虽然负载AgNPs及HA的双功能微球在体内外研究中均表现出了不错的效果,但为了避免人们对AgNPs体内应用安全性的担忧,以及为了进一步提高修复材料对S.aureus的敏感性,本研究以前述微球为药物载体包覆临床上常用的抗感染药物万古霉素,同时为进一步提高微球的促成骨能力,在SBF矿化沉积过程中引入具有促血管生成、抑制破骨细胞活性和提高成骨细胞活性的锶元素,制备了一种同时具有抑菌、促血管生成及促新骨生成的多功能微球,并开展了体内外表征。为了避免万古霉素在矿化过程中的严重丢失,本研究采用了 MCF-26介孔二氧化硅作为载体吸附万古霉素后再包埋到微球中。在体外研究中,万古霉素和Sr2+都表现出持续释放行为,释放量与它们的负载量正相关;微球具有显著地抑制S.aureus克隆生长的能力,并在合适的万古霉素负载量下,微球没有明显的细胞毒性,BMSCs在微球上粘附、铺展和增殖良好;随着锶负载量的增加,微球促BMSCs表达成骨相关指标/基因和成血管相关基因的能力均显著提高。在体内研究中,兔皮下植入实验结果揭示,负载万古霉素和锶元素的矿化微球生物相容性良好,锶元素的引入增强了微球的血管生成能力和异位成骨能力;将该多功能微球注入S.aureus感染的兔股骨踝缺损模型,结果显示,与空白组和仅负载万古霉素的矿化微球比较,同时负载万古霉素和锶元素的矿化微球具有最强的促新骨生成的能力。以上研究表明,生物可降解的脂肪族聚酯作为骨修复材料具有广阔的应用前景,针对微创治疗和骨缺损再生修复的临床需求,基于可注射的脂肪族聚酯微球,开展多功能微球的设计和制备研究,在保证微球的生物相容性和生物可降解性的前提下,赋予可注射微球更多的功能性,如抑菌、促血管生成、促成骨等特性,无疑将更加提高这类材料对骨缺损再生修复的效果,推动它们的临床应用研究。