骨组织与材料的界面处存在复杂的生理微环境,为提高植入体界面处的骨再生,大量研究利用硬度、微纳米拓扑结构以及表面官能团等材料的固有性能模拟细胞外基质的微环境调控干细胞成骨分化和诱导骨组织再生,但模拟骨内电生理微环境调控成骨分化的研究较少。骨内电生理微环境源于胶原纤维的压电响应特性及其空间多级排列特性。因此,模拟骨的电生理微环境,对电活性生物材料进行微区功能设计,对调控成骨分化和骨再生具有重要的科研价值和临床意义。本研究针对电活性生物材料仿生微区构建开展如下工作:(1)利用二氧化钛的半导体特性,在医用钛表面构建周期性微区二氧化钛异质结构。该微区异质结构由两种具有不同载流子密度的n型二氧化钛半导体周期性平行排列组成,可形成内建周期性微区静电场。体外细胞实验证明二氧化钛异质结构仿生微区静电场样品具有良好的生物相容性,且在不加入成骨诱导液的条件下就能通过微区电刺激促进骨髓间充质干细胞成骨分化,体内动物植入实验进一步证实其具有诱导骨再生的作用。本研究对于开发新型仿生微区电特性生物材料具有启发作用。(2)利用激光诱导微区相变技术构建微区压电响应型铌酸钾钠植入体,模拟骨内胶原纤维的压电响应特性。由于微区压电响应型植入体的微区电性不同,将在其表面产生空间特异性微区电场,模拟骨内电生理微环境。体外实验表明微区压电响应型植入体具有良好的生物相容性,并显著促进骨髓间充质干细胞的铺展。且在无成骨诱导液加入的条件下,植入体表面细胞碱性磷酸酶活性增加。动物体内植入实验也表明该微区压电响应型结构可以成倍提高植入体界面的骨再生能力。本研究成功构建仿生微区压电响应性植入体,该研究思想为植入体设计提供了新的思路。(3)本研究进一步提出利用微区压电响应型植入体材料表面形成的微区电场破坏细菌呼吸链,杀灭细菌的设想。首先通过调控极化参数实现对微区压电响应型植入体表面微区电场强度的有效调控。研究表明高微区电场强度的植入体可破坏细菌细胞膜,起到完全杀灭细菌的目的。实验结果也表明微区电场未影响活性氧产生,但可以显著促进巯基氧化。最终提出微区压电响应型植入体造成细菌定向迁移至质子耗散区引起细菌内质子失衡的杀菌机理。构建具有良好生物相容性且兼具抗菌性能的骨植入材料可实现成骨性和抗菌性的统一,具有重大临床意义。(4)钛表面空间可控的拓扑结构信号可以提高骨再生的效率。本研究利用选区激光辐照在水热处理纳米针状膜层表面构建缓冲区。该微区功能结构对类骨磷灰石沉积和蛋白吸附具有区域选择性,且避免了纳米针状膜层对成骨细胞增殖造成的抑制作用。细胞实验证实该微区功能结构可加速成骨细胞体外分化和钙结节沉积,且钙结节成分更接近于骨磷灰石成分。体内植入实验证明该功能微区结构可以诱导骨再生。