创伤和疾病等导致的骨组织损伤严重危害人体健康。人工骨替代材料克服了传统自体/异体移植骨的缺陷，因此在临床骨缺损修复治疗中得到广泛应用。然而，目前临床使用的人工骨替代材料普遍存在活性较低、修复速度较慢等缺陷。因此，高活性骨修复材料的设计与构建是本领域研究前沿和难点。重组人骨形态发生蛋白-2(rhBMP-2)是目前公认的体内重要的成骨促进因子，可诱导多功能间充质干细胞的成骨分化并促进体内骨生成。由于受固载载体以及周围环境的影响，低量、高效地固载rhBMP-2仍不够理想。因此，理解rhBMP-2在固载过程中构象及活性的变化规律对设计、构建新型骨修复材料具有重要意义。为此，本论文系统研究了材料中阳离子对rhBMP-2结构和成骨活性的影响规律，并结合细胞学、分子生物学研究探索了潜在的作用机理。同时，以提高磷酸钙骨水泥(CPC)成骨活性为目标，首次引入聚乙二醇-聚癸二酸丙三醇酯(PEGS)制备三维PEGS/CPC复合支架，研究了PEGS中聚乙二醇含量对复合支架力学性能、降解行为、细胞粘附、增殖、成骨分化以及体内骨生成量的影响。论文主要研究结果如下:　　(1)游离钙离子(Ca2+)对rhBMP-2结构和骨诱导活性的影响　　Ca2+不仅是骨基质以及骨修复材料的重要组成部分，并且在细胞培养基以及生理环境中普遍存在。但目前为止，Ca2+对rhBMP-2骨诱导活性的影响规律尚不明确。为此，本文从体外细胞学以及体内动物实验两方面系统研究细胞外游离Ca2+对rhBMP-2生物活性影响的基本规律。结果表明:Ca2+对rhBMP-2的骨诱导活性呈典型“低促高抑”现象。低浓度Ca2+(0.18 mM)可促进rhBMP-2骨诱导活性，而高浓度Ca2+(＞1.80 mM)则会明显降低其活性。进一步通过圆二色谱、荧光光谱以及细胞实验发现，低浓度时，Ca2+与rhBMP-2之间的作用力较弱，仅少量β-折叠/-转角的形成，这种结构变化提高了rhBMP-2与IA型BMP受体(BMPR IA)的结合效率。而当Ca2+浓度＞1.80 mM时，两者相互作用会形成Ca-rhBMP-2络合物并显著增加蛋白中β-折叠/-转角的含量，进而抑制rhBMP-2和BMPR IA结合及Smad1/5/8、ERK1/2和p38信号通路传导。　　(2)游离锶离子(Sr2+)对rhBMP-2结构和骨诱导活性的影响　　Sr2+可显著刺激骨形成和抑制骨吸收，因而被广泛引入骨修复材料。本文研究了Sr2+对rhBMP-2结构和骨诱导活性的影响和潜在机制。结果表明:即使在Ca2+和Mg2+存在的条件下，rhBMP-2可快速与游离的Sr2+结合（包括低浓度和高浓度），从而抑制rhBMP-2体内外骨诱导活性。深入研究发现，游离Sr2+加入rhBMP-2溶液中，可显著削弱rhBMP-2与其受体BMPR IA的结合能力，抑制Smad1/5/8磷酸化。圆二色谱、稳态荧光光谱和X射线光电子能谱显示Sr2+抑制rhBMP-2的骨诱导活性可能与Sr-rhBMP-2络合物的形成以及蛋白中的β-折叠含量增加有关。溶液中游离Sr2+会抑制rhBMP-2的骨诱导活性，该结果对于BMP-2负载支架的设计与构建具有指导意义。　　(3)材料中掺杂Sr对固载rhBMP-2结构和成骨性能研究　　受上述游离Sr2+抑制rhBMP-2骨诱导活性的启发，进一步对比研究了材料中掺杂Sr2+对rhBMP-2结构和活性影响的基本规律以及相关机理。以磷酸钙骨水泥(CPC)为基质，通过掺入SrCO3制备一系列Sr掺杂CPC(SrCPC)支架。结果表明，固载在SrCPC支架表面的rhBMP-2的骨诱导活性显著提高，尤其是Sr掺杂量较低的5SrCPC组(SrCO3含量＜10 wt％)提高明显。进一步研究发现，5SrCPC支架不仅可促进表面固载的rhBMP-2与其细胞表面受体BMPRIA的识别，而且促进细胞内BMPR IA的表达，从而显著促进BMP下游Smad1/5/8和ERK1/2信号通路的传导，最终提高rhBMP-2的生物活性。分析认为，与游离Sr2+相比，固载Sr与支架表面rhBMP-2的结合方式不同，可促使蛋白活性位点暴露。该结果可为rhBMP-2的固载载体和活性骨修复材料的设计与制备提供实验指导。　　(4) PEG改性聚癸二酸丙三醇酯(PEGS)复合磷酸钙骨水泥支架的构建与成骨活性　　磷酸钙支架是临床广泛应用的骨移植替代材料，但其机械性能以及生物活性还有待改善。为此，本文创新性地引入具有高弹性、亲水性的聚乙二醇-聚癸二酸丙三醇酯(PEGS)改善磷酸钙骨水泥(CPC)支架的力学性能以及生物活性。巧妙地通过小分子预聚物渗入-原位聚合实现PEGS在CPC中的均匀分布。结果表明，PEGS/CPC的力学性能和降解行为与涂层中PEG含量密切相关，即随着PEG含量增强，复合支架的压缩强度逐渐降低，降解速率逐渐加快。以大鼠骨间充质干细胞(BMSCs)为细胞模型，研究发现PEG含量直接影响复合支架表面的细胞粘附和增殖。特别是20PEGS/CPC支架具有最强的促BMSC成骨分化以及体内骨再生能力。结合基因矩阵差异分析发现，20PEGS/CPC可显著提高细胞中缺氧诱导因子-1α（Hypoxia Inducible Factor-1α，HIF-1α）的表达，进而激活下游TGF-β、VEGF以及Wnt信号通路、MAPK通路，实现快速成骨。该工作实现了在不外加任何激活HIF信号通路的离子（如钴离子）或药物（如DFO）的情况下，通过高分子材料复合优化可提高HIF-1α表达，为新型激活再生材料的设计提供了一个全新的思路。