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近年来，基于磷酸钙材料的生物矿化的最新进展表明纳米钙磷颗粒在自然界的硬组织形成过程中扮演了重要的角色。尽管天然骨和牙釉质的材料性质和它们的多级结构有所不同，但它们的基本无机组成单元都可能是是纳米磷灰石。纳米尺度可以赋予生物材料在生物体液环境中具有独特的物理和化学特性，例如机械强度的增强和动力学上的自我保护。在生物体中，数十到数百个纳米颗粒可以在有机基质的调控下组装的形成生物矿物。随着纳米技术和生物材料的发展，纳米磷酸钙及其复合材料的制备及其在生物医学上的应用都得到了广泛关注。
本论文研究了尺寸可控的纳米磷酸钙的制备和应用。研究涉及不同尺寸的纳米磷酸钙颗粒的合成及其对骨相关细胞生长的影响；利用聚合物发展出一种生物友好环境下纳米磷酸钙颗粒的新合成方法；在排除了尺寸效应后研究不同结晶度的纳米磷酸钙对细胞生长分化的影响；还尝试利用磷酸钙颗粒制备复合支架材料来改善骨修复。全文共分六章：
第一章简要介绍了磷酸钙生物矿化的基本知识、生物硬组织中的磷酸钙的结构、纳米磷酸钙制备和应用研究的进展、磷酸钙在组织工程中的应用等。通过总结了磷酸钙材料研究中的重点关注问题引出我们对这些问题的观点及相关的研究计划。
第二章研究了不同尺寸的羟基磷灰石(HAP)对骨肉瘤细胞(U2OS)的生长和活性的影响。我们利用表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为控制剂合成具有不同尺寸(20、40和80nm)的HAP纳米颗粒及尺寸大于100nm的普通纳米HAP。课题组先前的研究已经发现20nm磷酸钙能够促进骨间充质干细胞(BMSC)的增殖，而且其促进效果随着尺寸的增加而减少。在此基础上，我们又研究了不同尺寸HAP颗粒对骨肉瘤细胞增殖和生物活性的影响。我们把用不同尺寸的HAP颗粒制成薄膜或悬浊液，然后和U2OS细胞共培养。生长曲线和MTT法检测结果表明20nm羟基磷灰石颗粒对U2OS的生长和活性具有最大的抑制作用，而且随着颗粒尺寸的增加这种抑制作用相应减弱。由此提出20nm HAP颗粒作为硬组织肿瘤摘除后的医用修复材料具有明显的优势。该工作强调了磷酸钙材料的尺寸效应在生物医学应用中的重要性。
第三章着重于纳米磷酸钙颗粒的结晶度对骨相关细胞的生物行为的影响。我们先制备了具有相同尺寸(20nm)但结晶度不同的HAP和ACP颗粒从而排除了纳米磷酸钙的尺寸效应对细胞行为的影响。然后检测了BMSC在两种磷酸钙材料上的粘附、增殖和成骨分化水平。结果表明在非晶纳米磷酸钙既ACP上BMSC的黏附比其晶相的磷酸钙即HAP稍低，但是HAP对骨髓基质干细胞的增殖具有更大促进作用，并且还显著提高了BMSC细胞的成骨分化能力。这一实验结果完全不同于以往人们对磷酸钙结晶度-骨相关细胞行为关系认识（往往认为ACP对BMSC具有更好的生物活性），我们能认为主要原因是在过去的研究中人们没有考虑到尺寸效应，所采用的ACP的尺寸远远小于HAP。因此，该工作从另一角度再次强调了在生物材料研究中颗粒尺寸效应的重要性。
第四章探讨了如何采用更加生物友好的方法制备不同尺寸的磷酸钙颗粒。在己知纳米磷酸钙的生物活性与其尺寸有着密切的关系后，我们希望找到一种生物友好的方法来合成磷酸钙颗粒，其原因是先前工作中所采用的结晶控制剂也就是CTAB的生物相容性并不好。鉴于聚丙烯酸(PAA)具有良好的生物相容性，我们利用不同浓度的PAA溶液作为添加剂来合成磷酸钙，得到了5-60nm不同尺寸的颗粒。为了了解产品的生物相容性，我们用BMSC与所得到的20nm颗粒共培养，研究了这些含有PAA分子的磷酸钙颗粒对细胞增殖和活性的影响，并与含有CTAB的20nm磷酸钙颗粒进行比较。结果表明PAA的存在对颗粒的生物相容性和活性基本没有影响，而CTAB的存在明显抑制了细胞的活性。因此在纳米磷酸钙合成的洗涤阶段，采用PAA的方法具有明显的优势，这是一种简易且生物友好的制备方法。
第五章尝试了20nm HAP在支架性能改进中的应用.在这项工作中,我们制备了20nmHAP和聚乳酸的复合支架(20HAP/PLA)并研究其对骨修复的促进作用;为了对照,我们还合成了纯PLA,PLA和普通HAP复合支架(cHAP/PLA).在体外实验中,我们在灌流的体系实现人体骨髓间充质干细胞(hMSC)与各种支架的培养并定量检测细胞的活性、增殖以及分化.结果表明20HAP/PLA支架具有比其他支架更优异的生物相容性和促进成骨分化的能力。在体内实验中，我们利用兔子胫骨的骨修复模型，把不同支架植入兔子体内培养4周后取出，用HE染色，X射线显微照片以及RT-PCR来研究20HAP/PLA支架对骨缺损部位的修复能力，同样发现了20HAP/PLA支架具有独特的迅速高效率骨修复的能力并促进新骨的形成。这些结果揭示了20nmHAP颗粒的引入可以有效提高支架的生物相容性和成骨能力，为组织工程中支架材料的改进提供了新的方向。
第六章则总结了我们关于纳米磷酸钙生物医学研究的观点、创新点，还为今后的研究指出需要解决的关键问题。