一种用于临界大小骨缺损修复的复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及生物医疗材料，尤其涉及一种可以通过促进血管和骨的生成来修复临界大小骨缺损的复合支架材料及其制备方法。

背景技术：

1、由创伤、骨肿瘤、感染等疾病引起的临界大小的骨缺损无法自我修复，需要外部干预。目前，临界大小的骨缺损修复的治疗主要包括自体骨移植、异体骨移植和人工骨替代品。自体骨移植以其高骨诱导性和骨电导率而闻名，被认为是骨修复的“金标准”。然而，由于资源稀少，难以精确匹配缺陷的大小和形状，其适用性受到限制。同种异体骨移植具有免疫排斥反应甚至疾病传播的风险，限制了其临床应用，而人工骨移植由于其来源广泛和低免疫原性，因此已成为骨缺损修复材料研究者关注的焦点。目前，各种生物材料被设计用于修复骨缺损，如生物活性玻璃，多孔陶瓷支架，金属，水凝胶，聚合物及其复合材料等。

2、磷酸钙(cap)生物陶瓷，如羟基磷灰石(ha)，由于其与哺乳动物骨骼和牙齿的化学相似性和良好的生物适应性(通常用于填充硬组织缺陷和涂层植入物表面)，被广泛用于修复全身骨骼缺陷。其中，羟基磷灰石(ha)作为人体硬组织的主要无机成分，理论上似乎是最适合人体骨组织修复的材料之一。ha具有其优异的骨传导和骨诱导特性，不仅为血管和新骨生长提供了空间和支持框架，还诱导间充质干细胞分化为成骨细胞；从而加快骨重建，提高成骨效率和骨整合效果。然而，实际上人体天然骨中的羟基磷灰石是包含偏离理想化学配比(ca/p＝1.67)的钙磷相和微量元素掺杂的混合相所组成的，因此，按理想化学配比合成的ha的化学成分简单，不足以满足临床需求，因而需要使用不同方法对ha进行改性以赋予其符合要求的生物学功能。微量元素掺杂是目前最常见的ha改性技术之一，大致分为阳离子掺杂和阴离子掺杂。这些微量元素具有独特的生物学功能。例如，硼离子可以上调成骨分化标志物(bmp等)的表达。并诱导骨髓间充质干细胞(bmscs)成骨分化。铜离子可刺激干细胞分泌vegf，促进血管生成。此外，在大鼠颅骨缺损模型中，与对照组相比，含铜组的骨再生有明显改善。硅离子可以调节成骨和血管生成的耦合，在骨缺损部位创造有益的免疫微环境，实现带血管化的骨再生。掺杂二价或多价离子(如zn2+或si4+掺杂的ha纳米颗粒)可以提高复合材料的生物相容性，并促进成骨分化和组织-材料界面稳定结合。此外，ha掺杂离子(如sr2+或mg2+)诱导骨髓间充质干细胞合成和分泌vegf和其他血管生成因子，从而进一步加快体外或体内血管再生的诱导。

3、值得注意的是，镁，一种必需的人体元素，拥有许多有益的生物学效应，并在骨代谢中发挥着关键作用。镁缺乏症与骨质疏松症高度相关。镁缺乏可上调肿瘤坏死因子(tnf-α)、白细胞介素-1(il-1β)和核因子kappa-b配体受体激活剂(rankl)的表达，并下调骨保护素(opg)的表达，加速骨吸收和诱导骨质疏松。此外，mg可以通过cgrp介导的cgrp-fak-vegf信号通路增强血管生成，以修复临界大小的骨缺损。锌在骨骼中也很丰富，是骨代谢的关键元素。它提高了骨髓间充质干细胞中碱性磷酸酶(alp)的活性，从而进一步诱导成骨分化，刺激骨发育和矿化。锌能在一定程度上抑制破骨细胞的形成，促进骨愈合。此外，锌具有抑菌作用，特别是对金黄色葡萄球菌、乳酸菌和革兰氏阳性菌，其抗菌性能与锌掺杂摩尔分数呈正相关。与单元素(mg和zn离子)掺杂ha相比，对mg和zn共掺杂ha的研究相对较少。此外，一些普遍的双掺杂ha研究主要研究掺杂后的晶格和晶体尺寸等物理性质，但在探索其对生物结构域(细胞，如成骨相关细胞)的影响方面受到限制。因此，需要进一步研究mg和zn共掺杂对血管生成和成骨的协同作用。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种用于临界大小骨缺损修复的复合材料及其制备方法。

2、本发明包括以下技术方案：

3、一种用于临界大小骨缺损修复的复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、1)将ca(no3)2、zn(no3)2、mg(no3)3和na2hpo4加入去离子水中并溶解完全，使得溶液中(ca+zn+mg)/p的摩尔比为1-2；

5、2)用酸将步骤1)的溶液的ph调至2-3之间，再加入适量1,2,3,4,5,6-环己烷六羧酸一水合物h6l，在h6l完全溶解后，加入尿素，直至完全溶解；

6、3)将步骤2)制备好的溶液转移到反应釜中进行反应，温度150-250℃，10-14h，在反应结束后收集沉淀，离心清洗获得的沉淀，然后用去离子水和无水乙醇反复清洗，直到ph值达到中性，并在烘箱中干燥，得到粉末；

7、4)将适量pcl溶解于二氯甲烷中充分搅拌，随后将步骤3)得到的粉末分散于上述二氯甲烷中，并搅拌形成均匀分散体；得到所述的用于临界大小骨缺损修复的复合材料。

8、进一步的，上述一种用于临界大小骨缺损修复的复合材料的制备方法，所述步骤1)中，mg：(zn+mg+ca)的摩尔比为0.05-0.15；在一些实施例中，优选为0.1。

9、进一步的，上述一种用于临界大小骨缺损修复的复合材料的制备方法，所述步骤1)中，zn：(zn+mg+ca)的摩尔比＜0.3，在一些实施例中，优选为0.1。

10、进一步的，上述一种用于临界大小骨缺损修复的复合材料的制备方法，所述步骤1)中进行搅拌，最终ca2+在溶液中浓度为0.05-0.2m；在一些实施例中，优选为0.1m。

11、进一步的，上述一种用于临界大小骨缺损修复的复合材料的制备方法，所述步骤2)中的h6l在溶液中的终浓度为0.5-2mm；在一些实施例中，优选为1mm。

12、进一步的，上述一种用于临界大小骨缺损修复的复合材料的制备方法，包括以下步骤：

13、1)将ca(no3)2、zn(no3)2、mg(no3)3和na2hpo4加入150ml去离子水中并溶解完全得混合溶液；使得溶液中(ca+zn+mg)/p的摩尔比为1.67，且mg：(zn+mg+ca)的摩尔比为0.05-0.15，zn：(zn+mg+ca)的摩尔比为0.1；ca2+浓度为0.1m；

14、2)用酸将混合溶液的ph调至2.3，再加入h6l至溶液终浓度1mm，在h6l完全溶解后，加入尿素至溶液终浓度为0.56m，并溶解；

15、3)将步骤2)制备好的溶液转移到六工位聚四氟乙烯自动高压釜中进行反应，200℃，12h，在反应结束后4000rpm离心3min，收集沉淀，清洗获得的沉淀，然后用去离子水和无水乙醇反复清洗，直到ph值达到中性，并在烘箱中干燥，得粉末；

16、4)将4.5g pcl溶解于40ml二氯甲烷中充分搅拌，再将0.5g步骤3)制备的粉末分散于上述二氯甲烷溶液中，并充分搅拌，得到所述的用于临界大小骨缺损修复的复合材料。

17、本发明公开了一种用于临界大小骨缺损修复的复合材料，由上述的制备方法获得。

18、进一步的，本发明公开了上述用于临界大小骨缺损修复的复合材料在制备三维支架中的用途，其特征在于，包括以下步骤：

19、制备好的复合材料以1-10mm/s的速度，在0.1-0.3mpa的压力下，通过0.1-1mm的锥形塑料喷嘴挤出，得到多孔的三维支架；支架冻干以去除有机溶剂。

20、优选的，上述三维支架是置入生物体内的，用于临界大小骨缺损修复。

21、本发明具有以下有益效果：

22、.本发明公开一种可以通过促进血管和骨的生成来修复临界大小骨缺损的复合支架材料及其制备方法，首先以本技术中公开方法制备zn/mg共掺杂复合支架，将该复合支架植入大鼠股骨缺损模型中，该复合支架材料中mg元素具有促血管生成作用、zn元素具有促骨愈合及抑菌作用以及ha是具有优异骨传导和骨诱导特性，再加入1,2,3,4,5,6-环己烷六羧酸一水合物(h6l)小分子模板剂使得所合成的ha为球形度均一、形态规整的微球，最后以能够保持支架形态和力学性能的聚己内酯(pcl)作为油墨混合，通过3d打印制备出zn/mg共掺杂复合支架材料，进而对由创伤、骨肿瘤、感染等疾病引起的临界大小骨缺损进行有效的修复作用，为zn/mg共掺杂复合支架材料在修复临界大小的骨缺损的临床应用与转化提供理论与实践依据。

23、2.该方法整体实施过程较为简单，来源广泛，可操作性强，市场应用潜力大，有益于推广使用。