大段骨缺损是临床骨修复的主要难题,而修复大段骨缺损,制备出“人工骨”的关键在于:（1）提升植入材料的生物活性从而加快骨修复;（2）提升生物活性材料的力学性能从而实现大段骨的力学适配。天然骨具有从微观到宏观的多级结构,这些结构赋予了骨基质良好的生物活性以及优异的力学性能。因此,模拟制备多级结构生物材料,从材料结构设计的角度来解决临床上大段骨缺损修复的难题具有重要的科学意义和临床价值。本论文针对如何利用多级结构设计提升生物陶瓷的生物活性和力学性能的问题,将仿生概念引入到组织工程领域,并结合多种新型制备技术制备出了具有多级结构的生物陶瓷。本论文立足于探究多级结构对生物陶瓷的生物活性以及力学性能的影响,进行了一系列的材料理化性能表征,以及体内外生物学性能的测试。整个论文的主要结论如下:首先,为了解决三维（3D）打印支架基元内部难以成骨的问题,我们受到热狗的组成、结构以及功能的启发,将双定向冰模板法与3D打印技术相结合,成功制备出仿热狗多级结构支架。该支架的基元由外部的空心管以及内部的多级结构棒组成,其中多级结构棒具有连通有序的层状结构。制备的仿热狗结构支架展示了更大的比表面积、以及连通的层状结构,发挥了优异的药物/蛋白运载性能,具有促进间充质干细胞增殖以及成骨分化的效果。借助支架本身的多级层状结构与负载的成骨药物,该支架能够有效实现对新骨生成的协同促进作用。相似于“热狗”内部的火腿肠能为机体提供营养物质,仿热狗结构支架内部的热狗陶瓷棒也有利于药物/蛋白的担载,从而促进细胞的成骨分化。总之,仿热狗结构支架不仅实现了对“热狗”结构的仿生,同时也实现了其功能模拟。本部分的研究解决了传统3D打印生物支架基元内部难以成骨的问题,成功赋予3D打印支架多级结构,为今后设计和制备具有良好生物活性、以及多级结构的3D打印支架提供了新思路。同时仿热狗结构支架有望作为一种多功能生物材料,在药物运输、组织工程、以及再生医学等领域发挥重要作用。受到贝壳“砖泥”层状结构的启发,通过将双定向冰模板法与负压抽入法有效结合,成功制备出具有层状结构的硅酸盐生物陶瓷复合物。该材料具备与承重骨相匹配的优异力学性能,成功突破了传统高强度植入体高模量的限制,有效避免了植入体的应力屏蔽效应。除此之外,层状生物陶瓷复合物能够有效的控制生物活性离子的释放,抑制离子的突释,从而有利于间充质干细胞以及牙周膜细胞的增殖。有趣的是,我们发现伴随着生物陶瓷的降解,新生骨组织能够长入到层状生物陶瓷中,从而形成生物陶瓷/新骨/树脂的“三明治”结构,进而促进骨整合。本研究将仿生概念应用在高强度骨植入材料的研制中,解决了高强度植入体高模量的问题,为高性能骨植入材料的研制提供了新思路。最后,为了实现“真正的人工骨”,我们受到天然骨生长机理以及织构结构的启发,提出了一种用于制备织构生物陶瓷人工骨的矿化-组装-烧结的新方法。通过这种方法制备出的织构生物陶瓷具有优异的力学表现,呈现了匹配承重骨的力学性能。通过探究该生物陶瓷优异力学性能的机制,我们发现了织构结构在生物陶瓷力学提升中具有重要的作用,同时我们也发现了其界面增韧机制。此外,我们也探究到定向织构结构能够改变细胞的形态,从而调节细胞的增殖以及分化,对细胞命运的调控具有重要的作用。体内的动物实验也表明织构结构在促进新骨再生、以及成熟方面具有显著效果。因此,我们最终实现了一种“真正的人工骨”设计和制备,它具有和天然承重骨相近的生长机理、相匹配的力学性能、以及相似的织构结构和生物学调节功能。这种织构生物陶瓷人工骨突破了当前骨科植入物的限制,或对未来的骨植入材料领域产生积极的影响。最重要的是,这种矿化-组装-烧结法能够广泛地用于其他类型织构陶瓷的制备,具有普适性。这个工作为高性能织构生物陶瓷的制备拓宽了思路。综上所述,本论文从生物陶瓷结构设计角度出发,将仿生概念与组织工程结合,制备出了具有高活性的多级孔结构生物陶瓷以及优异力学性能的仿生多级结构生物陶瓷。为提升生物陶瓷的生物活性以及力学性能,将其更好的应用在大段骨缺损修复提出了一种可行的仿生策略。