治疗因外伤、严重感染与肿瘤后切除等造成的骨缺损是临床中的一大难题。骨移植特别是自体骨移植被认为是骨缺损修复的“金标准”。但该治疗手段的临床应用往往由于取骨量、移植产生的免疫排斥,以及对患者乃至整个社会造成的经济负担等而受到很大限制。随着骨组织工程技术的快速发展,目前已经可以制备出人工替代材料用于骨缺损的修复(比如纳米羟基磷灰石、骨水泥等),这在很大程度上克服了以上难题。但目前已有人工替代材料多为较小孔径的复合材料,与天然骨大孔径三维结构形貌不相符,会对营养物质的传递和代谢产物的排泄造成阻碍。并且这类复合材料表面的生物活性分子(比如羟基磷灰石、蛋白、壳聚糖等)往往不能有效地作进一步修饰以提高材料性能。基于此,本文提出一系列基于石墨烯制备新型三维大孔径复合支架材料的方法,并对其成骨性能和力学性能进行表征,为最终将该支架材料用于临床骨缺损修复提供实验数据支持。本文的主要创新性研究成果有:(1)提出了以泡沫镍为模板,结合化学气相沉积法,制备三维大孔径石墨烯支架材料,并采用电化学沉积技术对其表面进行矿化的材料制备新方法。探讨了通过改变电沉积条件(温度和电压)对三维石墨烯表面钙磷复合物结构形貌的影响。分析了石墨烯复合支架的结构形貌和晶体属性,并评估了矿化前后其生物相容性、细胞粘附和增殖以及成骨活性的变化。结果表明:采用电化学沉积技术,支架表面能够成功地被矿化;改变电沉积条件(温度和电压)能够对支架表面矿物盐晶体的大小、形貌进行调节,特别是随着电沉积温度升高,矿物盐晶体片越小、结晶度更高、晶体片更趋于均一。生物学实验结果表明矿化前后的支架材料均不具有细胞毒性,均能够促进成骨细胞的粘附和增殖,但矿化后的复合支架材料成骨性能更佳。(2)进一步提出了一种简单、低廉且能够大批量制备三维石墨烯复合支架材料的新方法:通过选择氧化石墨烯为原料,且仍旧选择泡沫镍为模板,采用改良传统层层组装方法在室温下完成三维石墨烯支架的制备,紧接着利用电沉积法制备超薄层聚吡咯以改善基底支架的力学性能,最后采用酪蛋白磷酸肽进行修饰。对酪蛋白磷酸肽修饰前后的三维氧化石墨烯/聚吡咯复合支架的结构形貌和化学组成进行了表征,检测了其润湿性、吸水性和保水性,采用体外仿生矿化法评估了其成骨活性和骨整合能力,及探究了修饰前后其生物相容性、细胞粘附和增殖,以及成骨活性的不同。结果表明:采用改良层层组装法能够成功制备三维大孔石墨烯基复合支架,且磷酸肽修饰后其润湿性、吸水率、保水率以及成骨细胞的粘附和铺展能够得到明显改善,特别是高浓度酪蛋白磷酸肽修饰后的支架材料能够更有效地促进前成骨细胞向成熟成骨细胞分化。进一步采用壳聚糖对支架进行修饰后,制备出了兼具抑菌性的骨修复多功能复合支架材料。检测了修饰后支架的形貌、化学组成以及润湿性能。采用菌落计数法和生物学细胞实验分别对修饰前后支架材料的抑菌性能、生物相容性和成骨活性进行了评估。结果表明:壳聚糖的修饰在改善三维氧化石墨烯/聚吡咯支架润湿性,产生抑菌性的同时并不影响其结构形貌以及成骨能力。(3)通过纳米压痕技术对所合成复合支架材料的硬度和杨氏模量值进行了测量,表明本文制备的三维氧化石墨烯/聚吡咯复合支架的杨氏模量值与人下颌骨松质骨颊舌向相近,而基于传统自组装法制备的石墨烯凝胶(支架)的该材料参数仅为其几十至几百分之一。综上所述,本文提出了基于石墨烯的三维大孔支架复合支架材料的一种简单、低廉且适合大批量制备的新方法。对所制备的新支架材料,通过材料、生物以及力学等方面的特性表征实验,证明了其具有优异的材料与力学特性、很好的生物相容性及兼具抑菌性。该新型支架材料的成功制备为骨修复的有效临床治疗带来了曙光。