骨植入物可以用于填充人体无法自我修复的巨大骨缺损,在起到填充缺损作用的同时,能够承受一定的力学负荷。临床上最常用的钛合金植入物模量高于骨骼的弹性模量,有可能导致应力屏蔽效应,引起骨溶解甚至植入物松动。高性能聚合物是一类可应用于骨植入物领域的新型材料,具有较高机械强度,同时具有与人体骨骼更为接近的模量,能在一定程度上避免应力屏蔽,如聚醚酰亚胺（PEI）。PEI是一种非晶体结构的高性能聚合物,具有优异的机械强度、接近人骨的杨氏模量、良好的生物相容性以及热稳定性,适用于骨植入物领域。同时,PEI的合成成本较低,加工成型的难度较小,易复合其他材料,更利于推广和转化,是一种具有广阔应用前景的骨植入物候选材料。骨缺损的形状通常为不规则,3D打印技术能够自定义植入物的形状,以匹配不规则的骨缺损,使植入物与骨缺损良好吻合。同时,3D打印植入物支架的孔隙结构能够提供更大的细胞粘附面积以及新生骨、血管长入和营养物质交换的空间。3D打印PEI多孔支架可以在骨植入物相关领域应用。在应对常规的巨大骨缺损时,可以通过提升支架的生物活性和促成骨分化能力来提升治疗效果。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）肽能够与整合素受体结合,促进细胞的粘附以及成骨分化等多种有利于骨缺损修复的细胞行为。通过PEI表面生物活性小分子RGD肽的引入,有助于缺损部位的骨组织再生。而在应对骨肿瘤造成的巨大骨缺损时,PEI需要同时具备促成骨和抗肿瘤的双功能,因为肿瘤组织会侵入骨组织并掠夺营养,影响骨再生,肿瘤发生转移则会严重危害患者生命。还原氧化石墨烯（rGO）和金纳米粒子（AuNP）则能够在近红外光（NIR）的激发下,在肿瘤区域通过协同加强的光热治疗（PTT）,实现触发式的骨肿瘤治疗效果。β-磷酸三钙（β-TCP,后简称为TCP）是一种常用的骨修复材料,能够实现持续而稳定的促成骨效果,而不干扰PTT的治疗效果。因此在PEI内部复合TCP,外部负载rGO-AuNP能够有效地实现促成骨和抗肿瘤双功能。本研究中,通过熔融沉积成型（FDM）式3D打印技术开发多孔PEI骨植入物支架,进一步通过在PEI表面负载RGD提高支架治疗常规骨缺损的能力,最终通过在PEI内部复合TCP,外部负载rGO-AuNP提高治疗肿瘤性骨缺损的能力。研究内容主要包括如下三部分:一、3D打印多孔PEI支架的制备研究本部分工作在第2章中体现。为实现合适的机械性能、可定制的植入物形状以及合理的孔隙结构,我们设计了从原材料到最终产品的FDM式3D打印PEI多孔骨植入物支架的完整制备工艺流程。首先,将粉碎后的PEI原料通过双螺杆挤出机在高温下将PEI或复合TCP的PEI（10 wt.%TCP）制备为FDM式3D打印机专用耗材。随后,根据实验的不同需求进行建模与切片处理,反复调试并生成稳定的3D打印代码,将代码导入3D打印机,使用PEI耗材以及PEI与TCP的复合耗材进行3D打印,成功制备3D打印多孔PEI支架以及PEI与TCP复合（P-TCP）支架。根据光学图像和微CT（Micro-CT）显示,本工艺流程制备的3D打印多孔PEI支架和P-TCP支架具有可自定义的形状以及孔隙结构。二、3D打印多孔PEI支架负载RGD肽以应对常规骨缺损的研究本部分工作在第3章中体现。在本部分工作中,借助多巴胺的自聚合反应,在3D打印多孔PEI支架表面沉积了聚多巴胺（PDA）涂层,构建了P-PDA支架。在其基础上负载了RGD肽,构建了P-PDA-RGD支架。经过理化性能表征,证明了PDA和RGD均成功地在支架表面引入,且不影响支架的优良机械性能。P-PDA-RGD支架具有良好的孔隙结构以及较为粗糙的表面,以及优良的亲水性。在细胞活力、细胞粘附和细胞增殖的研究中发现P-PDA-RGD组表现出最好的生物相容性。在体外成骨实验中,P-PDA-RGD组促进了碱性磷酸酶（ALP）分泌以及钙沉积。P-PDA-RGD能够明显上调Runt相关转录因子2（RUNX-2）、骨形成蛋白2（BMP-2）、骨钙蛋白（OCN）、骨桥蛋白（OPN）、一型胶原（COL-1）和ALP的表达,尤其是COL-1的表达上调最为明显。兔股骨髁缺损植入实验的4周和12周结果表明,P-PDA-RGD组具有最多的新生骨体积/总体积,显示出骨与植入物更为直接的结合效果。P-PDA-RGD支架的优异性能表明,在应对常规骨缺损的临床场景时,3D打印PEI支架负载RGD肽是一种潜在的可用于临床转化的填充治疗手段。三、3D打印多孔PEI支架复合TCP并负载rGO-AuNP通过PTT抗肿瘤以应对肿瘤性骨缺损的研究本部分工作在第4章中体现。在本部分工作中,借助多巴胺自聚合反应,分别将rGO和rGO-AuNP负载在P-TCP支架表面,构建了具有光热治疗（PTT）能力的P-TCP-r G支架和P-TCP-r G-Au支架。同时使用PEI和P-TCP支架作为对比。化学检测结果表明,rGO-AuNP被成功地负载于支架表面。SEM显示P-TCPr G-Au支架具有良好的孔隙结构,表面较为粗糙,并具有一定的亲水性。机械性能测试表明,掺入TCP提升了PEI支架的机械性能。P-TCP-r G-Au组的细胞表现出良好的活力、粘附和生长,P-TCP-r G-Au支架具有良好的生物相容性。在体外成骨研究中,P-TCP-r G-Au支架表现出较好的ALP分泌和矿化能力。P-TCPr G-Au组的OPN、RUNX-2、OCN和COL-1基因均上调。兔股骨髁缺损植入实验的4周和12周结果显示P-TCP-r G-Au组具有最高的新生骨体积/总体积比例,同时新生骨与植入物的结合紧密。在光热抗肿瘤方面,首先对NIR的功率密度进行筛选,并对各组进行光热性能表征,P-TCP-r G-Au组具有最强的光热性能。P-TCP-r G-Au在PTT后能够有效降低肿瘤细胞的活性和生存率,诱导肿瘤细胞凋亡,破坏肿瘤细胞形态,损伤肿瘤细胞的细胞核。进一步使用了小鼠荷瘤模型对体内PTT抗肿瘤能力进行评估,P-TCP-r G-Au组在体内具有最强的光热效应。在治疗期间,相比于其他组以及未经NIR照射的自身对照,P-TCP-r G-Au组的肿瘤体积最小,治疗效果最佳。肿瘤组织切片表明,经过PTT的P-TCP-r G-Au组的肿瘤细胞发生了细胞形态破坏与细胞核碎裂。此外,心、肝、脾、肺和肾的组织切片与血生化检测结果表明各组材料对重要器官均无明显毒性。进一步通过转录组测序对P-TCP-r G-Au组可能的抗肿瘤机制进行分析,发现MAPK等通路与其抗肿瘤功能有关,肿瘤细胞的转录和翻译生物过程有所变化。上述结果表明,经过内部复合TCP和外部负载rGO-AuNP,P-TCP-r G-Au支架具有良好的促成骨和PTT抗肿瘤能力。P-TCP-r G-Au支架是面对肿瘤性骨缺损临床场景的一种新治疗策略,具有应用于肿瘤性骨缺损的临床转化潜力。综上,本研究体现了3D打印多孔PEI支架应对常规骨缺损和肿瘤性骨缺损等临床场景的应用潜力。本研究对3D打印多孔PEI骨植入物支架的多功能化进行了一种有益的探索,为未来3D打印多孔PEI支架在骨科的应用提供了新的参考。