第一节　引言

随着再生医学及细胞技术的发展，生物材料已被证实具有主动促进细胞分化与组织再生的功能。理解和认识生物材料与细胞以及组织的相互作用是设计理想组织工程材料的关键。近些年越来越多的证据表明，生物材料的表面拓扑结构信号以及化学离子信号对细胞分化以及组织再生具有重要的影响。结构信号方面：材料的表面拓扑形貌、刚度、比表面积、粗糙度等表面性质都会对细胞行为产生影响。其中，材料表面拓扑形貌对细胞影响的研究是最具应用前景却也是最具挑战的方向之一。这主要是由于在材料表面构建可控拓扑形貌具有一定难度，并且很难将拓扑形貌从众多表面性质中单独剥离并进行量化。幸运的是，随着微纳米加工技术的快速发展，已有越来越多的方法可以在不同材料表面构建可控微纳米形貌，为研究细胞与材料表面拓扑形貌之间的相互作用提供了可能。一般来说，微米形貌由于与细胞整体尺寸接近，容易通过接触引导来调控细胞形态，而纳米形貌则与细胞受体的尺寸接近，更容易影响细胞的命运。化学信号方面，生物材料中释放的生物活性离子在人体新陈代谢中是必不可少的，且在生理过程中也起着重要的作用。据报道，从材料中释放出来的一部分生物活性离子可以影响组织特异性细胞以及干细胞的表型。无机离子作为外部化学信号可能通过调控细胞行为，如细胞黏附、增殖、分化等，进而影响组织再生。 例如 Ca、P、Si、Sr、Zn、B、Co、Cu 和 Mg可以激活与骨矿化、骨重塑和血管生成有关的机制，从而诱导骨再生。然而，无论是结构信号还是化学信号，它们与细胞相互作用的具体机制，特别是这些信号诱导细胞分化与组织形成的分子机制仍不完全清楚。近年来，在生物材料和再生医学领域，生物材料对细胞行为及组织再生的调控作用越来越受到关注。因此，本章节分别从生物材料表面微纳米拓扑结构以及材料释放的生物活性离子这两个不同角度综述相关研究进展，着重分析探讨了结构和化学信号在调控细胞行为、影响组织再生方面所扮演的不同角色，以及存在的不同生物学机制。结构方面，我们概述了主要的微纳米结构加工方法，并通过分析多种材料表面微纳米形貌对细胞行为的影响，总结出其中可能的生物学机制。最后，以骨组织工程为例，介绍了微纳米组合拓扑形貌在促进材料骨整合以及体内成骨中的作用，从而进一步证明了对生物材料表面进行拓扑形貌优化是提高其生物学性能的重要方法。化学信号方面，我们主要概述了生物材料中释放的不同生物活性离子在组织工程与再生医学领域的应用研究，重点讨论了它们在调控不同组织细胞以及干细胞行为，包括细胞黏附、增殖、分化等方面的共性及个性规律以及相应分子机制，并探讨了不同生物活性离子在诱导多种组织修复再生（如骨再生、血管新生、软骨再生、牙周再生和神经再生）方面的作用以及如何控制这些离子从生物材料中有效释放，从而为组织工程材料设计以及功能化诱导再生提供理论依据和应用指导。