骨肿瘤极大地影响患者的生命健康,同时骨肿瘤本身以及相关治疗手段会造成病灶附近的健康骨组织缺失,且对于肿瘤的二次治疗局限于放射治疗与化学治疗等副作用较大的传统疗法。修复肿瘤或治疗过程引起的骨缺损以及防止肿瘤疾病的复发,对于患者的术后恢复与生活质量有着重要意义。对上述临床问题,本文以制备具有抗肿瘤特性的骨修复材料为目的,提出使用压电材料设计具有抗肿瘤特性的骨植入材料,研究了铌酸钾钠压电陶瓷的表面电学特性,力-电响应特性以及铁电光伏特性对肿瘤细胞活性及电生理行为的影响规律。1.铌酸钾钠表面电学特性对肿瘤细胞活性的影响规律。使用固相法制备出铌酸钾钠压电陶瓷,通过可控极化工艺制备出不同极化状态的铌酸钾钠压电陶瓷。研究了不同极化状态的铌酸钾钠压电陶瓷的表面电势水平,得到正极化面表面电势高于负极化面以及未极化面表面电势的规律。研究了不同极化状态的铌酸钾钠表面电学环境对骨肉瘤细胞活性的影响规律,发现正极化面提供的高表面电势电学环境会降低骨肉瘤细胞的细胞活性,其抑制肿瘤细胞活性的途径是通过损伤细胞膜,诱导细胞膜电位去极化以及提高胞内活性氧水平等。2.铌酸钾钠力-电响应特性对肿瘤细胞活性的影响规律。为模拟铌酸钾钠压电陶瓷在人体体内力学环境中的受力情况以及力-电响应过程中的电信号输出情况,利用动态力学分析仪与皮安表联用的手段,检测到铌酸钾钠压电陶瓷在力-电响应过程中输出电压信号与电流情况;使用自主研发的动态力学加载装置实现对体外细胞培养体系原位施加力学刺激,探讨了压电陶瓷在力学刺激下对于样品表面生长的肿瘤细胞的代谢行为的影响,发现在动态力学作用下具力-电响应特性的极化处理的铌酸钾钠压电陶瓷会抑制细胞的活性,影响细胞的形态,促进细胞凋亡,而不具备力-电响应特性的未极化铌酸钾钠压电陶瓷对细胞则没有类似调控作用。3.铌酸钾钠铁电光伏特性对肿瘤细胞活性的影响规律研究。使用固相法与高能球磨法制备出粒径约为400 nm的铌酸钾钠纳米微球。研究了不同浓度的铌酸钾钠纳米微球的铁电光伏效应对肿瘤细胞活性的影响。研究结果表明,在4 h光照条件下,铌酸钾钠纳米微球的铁电光伏特性具有良好的抗肿瘤特性与选择性,具体表现为能有效杀灭黑色素瘤与骨肉瘤(存活率<20%),但对成骨细胞与骨髓间充质干细胞无明显毒性。对铌酸钾钠纳米微球的铁电光伏特性杀灭肿瘤细胞的机理进行探讨,揭示了铌酸钾钠纳米微球的铁电光伏效应诱导肿瘤细胞胞内活性氧水平升高、线粒体膜电位去极化等促进细胞凋亡的机理。4.铌酸钾钠-聚吡咯复合材料的表面纳米微区电场对成骨细胞代谢行为的影响规律研究。通过在铌酸钾钠压电陶瓷表面电化学沉积聚吡咯纳米功能涂层,构建出表面纳米微区电场。通过开尔文探针力显微镜、皮安表与四探针仪等分析手段可知,铌酸钾钠复合材料具有良好的力-电响应特性,涂层导电性能良好,且材料的表面电势呈现纳米级别不均一性与周期性,实现对骨表面胶原纤维网络的电学功能仿生。体外细胞实验表明,具有表面纳米微区电场的铌酸钾钠-聚吡咯复合材料具有良好的细胞相容性,且与传统骨修复材料羟基磷灰石相比,具有更优异的促进成骨细胞成骨分化的特性。