本发明属于复合材料领域，具体涉及一种多功能性原位杂化支架材料及其制备方法。
背景技术：
针对于创伤、骨转移及骨肉瘤等骨性疾病的治疗，骨组织工程策略扮演着举足轻重的角色，特别是组织生长载体的支架材料，如何对其仿生设计和功能化，使其在骨性疾病临床治疗方面发挥特效性是科研界研究的热点。
纳米尺度的四氧化三铁(fe3o4)作为一种特殊性的无机材料，已被广泛应用于生物靶向材料、微波吸收、催化和分离等诸多领域。主要是因为fe3o4在不同的外界条件刺激下，会发挥出不同的作用。研究发现，电磁场可以直接作用于细胞的dna，影响细胞基因的表达和促进蛋白质的合成，从而影响细胞增殖、生理代谢过程。除此之外，特定的红外光照可以使得fe3o4通过光热效应杀死肿瘤细胞。因此，fe3o4磁性材料若能应用于骨疾病治疗和修复领域，则可实现其微观和宏观动态双向调控骨组织生长的作用。
作为类骨无机成分的羟基磷灰石粒子，因其具有良好的骨传导和骨诱导性，被学者们视为骨组织工程支架的主要成分之一。轧离子(gd3+)作为一种新颖的无机离子被yapingguo课题组首次应用于骨修复支架领域，其制备的gdpo4/cs的支架材料(peipeizhao等chemicalengineeringjournal359(2019)1120–1129)具有良好的生物相容性，不仅可以促进bmscs的成骨分化，而且能激活smad/runx2通路表达，从而实现骨缺损修复愈合。此外，最新文献(peipeizhao等chemicalengineeringjournal381(2020)122694)报道了gdpo4/cs/fe3o4支架材料，研究发现fe3o4粒子可以杀死乳腺癌细胞，同时gdpo4可以促进局部缺损骨修复。然而，以上研究是将无机粒子gdpo4及fe3o4直接加入有机质中，通过机械混合方式复合形成多相组分支架材料，其不能很好的实现无机粒子在有机质中的均匀分布，从而无法有效模拟天然骨材料的矿化过程。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种多功能性原位杂化支架材料及其制备方法。本专利借鉴生物学机制，运用仿生策略并结合原位复合及冷冻干燥技术，将无机相gdpo4、hap和fe3o4三种粒子的前驱体离子均匀沉积在cs有机基质模板上，一步简单制备兼具磁热/光热效应和原位诱导成骨的多相杂化支架材料。制备的gdpo4/cs/hap/fe3o4杂化支架综合了gd离子具有的成血管、成骨性，hap的成骨诱导性及fe3o4的磁热/光热效应。针对乳腺癌骨转移病症及骨肉瘤疾病的治疗，在外加磁场或红外光照条件下，通过植入gdpo4/cs/hap/fe3o4杂化支架，可以方便的抑制和消除肿瘤生长，同时可诱导缺损骨组织原位再生，最终实现fe3o4与gdpo4、hap协同高效的治疗骨肉瘤或乳腺癌骨转移等骨性疾病。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
多功能性原位杂化支架材料的构建。借鉴生物学机制，运用仿生策略并结合原位复合及冷冻干燥技术，将无机相gdpo4、hap和fe3o4三种粒子的前驱体离子均匀沉积在cs有机基质模板上，一步简单制备兼具磁热/光热效应和原位诱导成骨的多相杂化支架材料。针对乳腺癌骨转移病症及骨肉瘤疾病的治疗，在外加磁场或红外光照条件下，通过植入gdpo4/cs/hap/fe3o4杂化支架，可以方便的抑制和消除肿瘤生长，同时可诱导缺损骨组织原位再生。
该复合材料的详细的制备方法，包括以下步骤：
(1)将1.5～2.25g壳聚糖溶解于体积分数为2％的乙酸溶液中，充分搅拌，形成均匀混合液；
(2)磁力搅拌下，将浓度为0.069mol/l的可溶性轧盐溶液及磷酸盐溶液各6ml依次加入步骤(1)的酸液中，时间间隔30min；
(3)将2mol/l可溶性钙盐溶液和1.2mol/l可溶性磷酸盐溶液各3ml依次加入步骤(2)的混合溶液中，时间间隔30min；
(4)再将可溶性铁盐和可溶性亚铁盐依次缓慢加入步骤(3)所得的混合液中，充分搅拌1h，使其混合均匀；
(5)室温下，将步骤(4)的均匀混合液迅速转移至模具中，超声消除气泡后，放置于-80℃的冰箱中持续冷冻12h，再将其转移至冷冻干燥机中干燥成型；
(6)将步骤(5)中冷冻干燥后的成型样品浸没于ph＝10～12的碱性溶液中，并置于20℃恒温振荡器中持续反应12-24h，水洗至中性后，重新冷冻再干燥成型，即得多功能性gdpo4/cs/hap/fe3o4杂化支架。
步骤(1)中是将壳聚糖于37℃水浴条件下磁力搅拌30min，使其溶于乙酸溶液。
步骤(2)中所述可溶性轧盐为硝酸轧；其中gd/p摩尔比为n(gd3+):n(po43-)＝1:1。
步骤(2)和步骤(3)中所述可溶性磷酸盐为磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、磷酸氢二钠或磷酸二氢钠中一种或多种混合。
步骤(3)中所述可溶性钙盐为硝酸钙或者氯化钙；其中ca/p摩尔比为n(ca2+):n(po43-)＝1.67:1。
步骤(4)中所述可溶性铁盐是氯化铁、硝酸铁或硫酸铁中一种或多种混合，可溶性亚铁盐是氯化亚铁或硫酸亚铁，其中fe3+/fe2+摩尔比为n(fe3+):n(fe2+)＝1.7～2:1。
步骤(5)和步骤(6)中冷冻干燥机温度为零下109℃。
步骤(6)中所述的碱性溶液为naoh或koh的乙醇/水溶液，其中乙醇与水的体积比为1:1。
本发明将促进骨生成的磷酸轧、羟基磷灰石粒子与具有磁热/光热效应的四氧化三铁粒子创新性的相结合，借鉴原位治疗和原位修复思想，简单一步制备兼具磁热/光热效应和原位诱导类骨羟基磷灰石生成的多功能骨修复材料。本发明程序简单，制备条件温和，所得复合材料具有微纳通孔结构，可塑性强，并且生物学性能良好，有望成为一种新颖的治疗骨组织疾病和损伤的复合材料。
本发明的显著优点在于：壳聚糖是一种带正电荷的天然多糖，在组成和结构上与糖胺聚糖具有部分相似性，且具有优良的生物相容性、细胞亲和性及生物降解性能，利用壳聚糖表面携带的羟基、氨基基团可以为无机晶体的生长提供有效的成核位点，有效模拟天然骨组织中无机矿物在有机基质中的矿化形核过程。
通过原位仿生过程成功的将gdpo4、hap和fe3o4三种无机功能粒子均匀沉积于有机物模板上，这种合成方法简单方便，并且可以实现无机粒子的均匀分布，从而使得在外加条件刺激下，支架中形成的fe3o4纳米粒子可以实现同步响应，从而均匀高效的杀伤肿瘤细胞。原位杂化形成的nhap类似于生物体内矿化形成的羟基磷灰石，无毒、安全、具有良好的生物相容性和骨传导性。此外，原位杂化制备的gdpo4可以协同促进干细胞分化和增殖，从而诱导局部缺损骨组织快速高效修复。
因此，在外加磁场或红外光照条件下，通过在骨肉瘤或乳腺癌骨转移疾病区域植入gdpo4/cs/hap/fe3o4杂化支架，可以方便的抑制和消除肿瘤生长，随后可诱导缺损骨组织原位再生。这种方法合成的复合物材料相对于其他骨疾病及缺损修复材料有以下优点：
(1)合成的复合支架材料具有良好的抑菌性、生物相容性，而且综合了原位治疗骨肿瘤并原位调控骨生长的功效；
(2)壳聚糖表面的官能团可有效调控gdpo4、hap和fe3o4三种无机粒子的原位生成，无机粒子的均匀沉积分布，增强支架材料整体力学稳定性的同时，赋予了支架多种生物学功能。
(3)fe3o4纳米粒子的原位生成，在外加条件刺激下，杂化支架可以原位有效杀死肿瘤细胞；另外，支架中gd离子的逐渐释放，可以刺激干细胞成骨分化、增殖，促进损伤组织修复。
(4)采用原位一步合成法，使得无机粒子在支架中实现了纳米级均匀分散，而且具有匹配骨生长的贯穿多级孔结构；
(5)可以通过改变壳聚糖、无机粒子前驱体用量及模具来调控和匹配生物体不同部位所需修复材料的降解速率、力学性能及形状；
(6)该复合支架的制备条件温和，可塑性强，工艺较简单，操作方便，成本低。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体技术方案。
实施例1
(1)将1.5g壳聚糖溶解于体积分数为2％的乙酸溶液中，37℃水浴条件下磁力搅拌30min，得壳聚糖酸溶液；
(2)磁力搅拌下，将浓度为0.069mol/l的可溶性轧盐溶液及磷酸盐溶液各6ml依次加入步骤(1)的酸液中，时间间隔30min；其中gd/p摩尔比为n(gd3+):n(po43-)＝1:1；
(3)将2mol/l可溶性钙盐溶液和1.2mol/l可溶性磷酸盐溶液各3ml依次加入步骤(2)的混合溶液中，时间间隔30min；其中ca/p摩尔比为n(ca2+):n(po43-)＝1.67:1；
(4)按照n(fe3+):n(fe2+)＝1.7:1的比例，在步骤(3)中加入0.51ml可溶性铁盐搅拌30min后，再加入0.3ml可溶性亚铁盐搅拌30min；
(5)室温下，将步骤(4)的均匀混合液迅速转移至模具中，超声消除气泡后，放置于-80℃的冰箱中持续冷冻12h，再将其转移至冷冻干燥机中，于-109℃下进行冷冻干燥3d；
(6)将步骤(5)中冷冻干燥后的成型样品浸没于ph＝10的naoh/乙醇水溶液中(1:1，v/v)，并置于20℃恒温振荡器中持续反应12h，水洗至中性后，重新冷冻再干燥成型，即得多功能性gdpo4/cs/hap/fe3o4杂化支架。
实施例2
(1)将2.00g壳聚糖溶解于体积分数为2％的乙酸溶液中，37℃水浴条件下磁力搅拌30min，得壳聚糖酸溶液；
(2)磁力搅拌下，将浓度为0.069mol/l的可溶性轧盐溶液及磷酸盐溶液各6ml依次加入步骤(1)的酸液中，时间间隔30min；其中gd/p摩尔比为n(gd3+):n(po43-)＝1:1；
(3)将2mol/l可溶性钙盐溶液和1.2mol/l可溶性磷酸盐溶液各3ml依次加入步骤(2)的混合溶液中，时间间隔30min；其中ca/p摩尔比为n(ca2+):n(po43-)＝1.67:1；
(4)按照n(fe3+):n(fe2+)＝1.7:1的比例，在步骤(3)中加入0.51ml可溶性铁盐搅拌30min后，再加入0.3ml可溶性亚铁盐搅拌30min；
(5)室温下，将步骤(4)的均匀混合液迅速转移至模具中，超声消除气泡后，放置于-80℃的冰箱中持续冷冻12h，再将其转移至冷冻干燥机中，于-109℃下进行冷冻干燥3d；
(6)将步骤(5)中冷冻干燥后的成型样品浸没于ph＝11的naoh/乙醇水溶液中(1:1，v/v)，并置于20℃恒温振荡器中持续反应12h，水洗至中性后，重新冷冻再干燥成型，即得多功能性gdpo4/cs/hap/fe3o4杂化支架。
实施例3
(1)将2.25g壳聚糖溶解于体积分数为2％的乙酸溶液中，37℃水浴条件下磁力搅拌30min，得壳聚糖酸溶液；
(2)磁力搅拌下，将浓度为0.069mol/l的可溶性轧盐溶液及磷酸盐溶液各6ml依次加入步骤(1)的酸液中，时间间隔30min；其中gd/p摩尔比为n(gd3+):n(po43-)＝1:1；
(3)将2mol/l可溶性钙盐溶液和1.2mol/l可溶性磷酸盐溶液各3ml依次加入步骤(2)的混合溶液中，时间间隔30min；其中ca/p摩尔比为n(ca2+):n(po43-)＝1.67:1；
(4)按照n(fe3+):n(fe2+)＝1.7:1的比例，在步骤(3)中加入0.51ml可溶性铁盐搅拌30min后，再加入0.3ml可溶性亚铁盐搅拌30min；
(5)室温下，将步骤(4)的均匀混合液迅速转移至模具中，超声消除气泡后，放置于-80℃的冰箱中持续冷冻12h，再将其转移至冷冻干燥机中，于-109℃下进行冷冻干燥3d；
(6)将步骤(5)中冷冻干燥后的成型样品浸没于ph＝12的naoh/乙醇水溶液中(1:1，v/v)，并置于20℃恒温振荡器中持续反应24h，水洗至中性后，重新冷冻再干燥成型，即得多功能性gdpo4/cs/hap/fe3o4杂化支架。
实施例4
(1)将2.00g壳聚糖溶解于体积分数为2％的乙酸溶液中，37℃水浴条件下磁力搅拌30min，得壳聚糖酸溶液；
(2)磁力搅拌下，将浓度为0.069mol/l的可溶性轧盐溶液及磷酸盐溶液各6ml依次加入步骤(1)的酸液中，时间间隔30min；其中gd/p摩尔比为n(gd3+):n(po43-)＝1:1；
(3)将2mol/l可溶性钙盐溶液和1.2mol/l可溶性磷酸盐溶液各3ml依次加入步骤(2)的混合溶液中，时间间隔30min；其中ca/p摩尔比为n(ca2+):n(po43-)＝1.67:1；
(4)按照n(fe3+):n(fe2+)＝1.7:1的比例，在步骤(3)中加入0.68ml可溶性铁盐搅拌30min后，再加入0.4ml可溶性亚铁盐搅拌30min；
(5)室温下，将步骤(4)的均匀混合液迅速转移至模具中，超声消除气泡后，放置于-80℃的冰箱中持续冷冻12h，再将其转移至冷冻干燥机中，于-109℃下进行冷冻干燥3d；
(6)将步骤(5)中冷冻干燥后的成型样品浸没于ph＝12的naoh/乙醇水溶液中(1:1，v/v)，并置于20℃恒温振荡器中持续反应24h，水洗至中性后，重新冷冻再干燥成型，即得多功能性gdpo4/cs/hap/fe3o4杂化支架。
实施例5
(1)将2.25g壳聚糖溶解于体积分数为2％的乙酸溶液中，37℃水浴条件下磁力搅拌30min，得壳聚糖酸溶液；
(2)磁力搅拌下，将浓度为0.069mol/l的可溶性轧盐溶液及磷酸盐溶液各6ml依次加入步骤(1)的酸液中，时间间隔30min；其中gd/p摩尔比为n(gd3+):n(po43-)＝1:1；
(3)将2mol/l可溶性钙盐溶液和1.2mol/l可溶性磷酸盐溶液各3ml依次加入步骤(2)的混合溶液中，时间间隔30min；其中ca/p摩尔比为n(ca2+):n(po43-)＝1.67:1；
(4)按照n(fe3+):n(fe2+)＝1.7:1的比例，在步骤(3)中加入0.51ml可溶性铁盐搅拌30min后，再加入0.3ml可溶性亚铁盐搅拌30min；
(5)室温下，将步骤(4)的均匀混合液迅速转移至模具中，超声消除气泡后，放置于-80℃的冰箱中持续冷冻12h，再将其转移至冷冻干燥机中，于-109℃下进行冷冻干燥3d；
(6)将步骤(5)中冷冻干燥后的成型样品浸没于ph＝11的naoh/乙醇水溶液中(1:1，v/v)，并置于20℃恒温振荡器中持续反应18h，水洗至中性后，重新冷冻再干燥成型，即得多功能性gdpo4/cs/hap/fe3o4杂化支架。
实施例6
(1)将2.25g壳聚糖溶解于体积分数为2％的乙酸溶液中，37℃水浴条件下磁力搅拌30min，得壳聚糖酸溶液；
(2)磁力搅拌下，将浓度为0.069mol/l的可溶性轧盐溶液及磷酸盐溶液各6ml依次加入步骤(1)的酸液中，时间间隔30min；其中gd/p摩尔比为n(gd3+):n(po43-)＝1:1；
(3)将2mol/l可溶性钙盐溶液和1.2mol/l可溶性磷酸盐溶液各3ml依次加入步骤(2)的混合溶液中，时间间隔30min；其中ca/p摩尔比为n(ca2+):n(po43-)＝1.67:1；
(4)按照n(fe3+):n(fe2+)＝1.7:1的比例，在步骤(3)中加入0.68ml可溶性铁盐搅拌30min后，再加入0.4ml可溶性亚铁盐搅拌30min；
(5)室温下，将步骤(4)的均匀混合液迅速转移至模具中，超声消除气泡后，放置于-80℃的冰箱中持续冷冻12h，再将其转移至冷冻干燥机中，于-109℃下进行冷冻干燥3d；
(6)将步骤(5)中冷冻干燥后的成型样品浸没于ph＝12的naoh/乙醇水溶液中(1:1，v/v)，并置于20℃恒温振荡器中持续反应16h，水洗至中性后，重新冷冻再干燥成型，即得多功能性gdpo4/cs/hap/fe3o4杂化支架。
实施例7
(1)将1.5g壳聚糖溶解于体积分数为2％的乙酸溶液中，37℃水浴条件下磁力搅拌30min，得壳聚糖酸溶液；
(2)磁力搅拌下，将浓度为0.069mol/l的可溶性轧盐溶液及磷酸盐溶液各6ml依次加入步骤(1)的酸液中，时间间隔30min；其中gd/p摩尔比为n(gd3+):n(po43-)＝1:1；
(3)将2mol/l可溶性钙盐溶液和1.2mol/l可溶性磷酸盐溶液各3ml依次加入步骤(2)的混合溶液中，时间间隔30min；其中ca/p摩尔比为n(ca2+):n(po43-)＝1.67:1；
(4)按照n(fe3+):n(fe2+)＝1.7:1的比例，在步骤(3)中加入0.51ml可溶性铁盐搅拌30min后，再加入0.3ml可溶性亚铁盐搅拌30min；
(5)室温下，将步骤(4)的均匀混合液迅速转移至模具中，超声消除气泡后，放置于-80℃的冰箱中持续冷冻12h，再将其转移至冷冻干燥机中，于-109℃下进行冷冻干燥3d；
(6)将步骤(5)中冷冻干燥后的成型样品浸没于ph＝11的naoh/乙醇水溶液中(1:1，v/v)，并置于20℃恒温振荡器中持续反应12h，水洗至中性后，重新冷冻再干燥成型，即得多功能性gdpo4/cs/hap/fe3o4杂化支架。
实施例8
(1)将2.00g壳聚糖溶解于体积分数为2％的乙酸溶液中，37℃水浴条件下磁力搅拌30min，得壳聚糖酸溶液；
(2)磁力搅拌下，将浓度为0.069mol/l的可溶性轧盐溶液及磷酸盐溶液各6ml依次加入步骤(1)的酸液中，时间间隔30min；其中gd/p摩尔比为n(gd3+):n(po43-)＝1:1；
(3)将2mol/l可溶性钙盐溶液和1.2mol/l可溶性磷酸盐溶液各3ml依次加入步骤(2)的混合溶液中，时间间隔30min；其中ca/p摩尔比为n(ca2+):n(po43-)＝1.67:1；
(4)按照n(fe3+):n(fe2+)＝1.7:1的比例，在步骤(3)中加入0.68ml可溶性铁盐搅拌30min后，再加入0.4ml可溶性亚铁盐搅拌30min；
(5)室温下，将步骤(4)的均匀混合液迅速转移至模具中，超声消除气泡后，放置于-80℃的冰箱中持续冷冻12h，再将其转移至冷冻干燥机中，于-109℃下进行冷冻干燥3d；
(6)将步骤(5)中冷冻干燥后的成型样品浸没于ph＝11的naoh/乙醇水溶液中(1:1，v/v)，并置于20℃恒温振荡器中持续反应24h，水洗至中性后，重新冷冻再干燥成型，即得多功能性gdpo4/cs/hap/fe3o4杂化支架。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。