一种多维仿生全可降解金属-水凝胶复合骨修复材料及其制备方法

本发明属于医学新材料，涉及一种多维骨修复材料及可降解金属-水凝胶复合骨修复材料的制备方法。

背景技术：

1、骨缺损是人类面临的重大疾患，在临床上极为常见且随着我国人口老龄化程度加剧此类疾病发病率逐年递增。其中大段骨缺损临床治愈难度大且致残致畸率高，是当前骨科临床面临的重大医学难题。目前，临床上对于此类疾病的治疗主要是自体骨移植和异体骨移植。自体骨具有成骨活性高的优势，是目前骨缺损修复的金标准，但存在二次手术及供骨不足等明显不足，异体骨移植不存在供骨不足的问题，但存在潜在异体排异反应的问题。随着再生医学、仿生学及生物材料的协同发展，仿生设计并制备一种具有多维仿生的全可降解型人工骨修复材料为临床治疗大段骨缺损提供了可行的方案。目前，临床上常用的人工骨有陶瓷基的人工骨，如vegraft人工骨及颗粒人工骨(如bio-oss)等；而目前尚处于科学研究阶段的骨修复材料有：多孔可降解金属支架、多孔生物陶瓷、生物活性玻璃、高分子复合支架、微纳纤维支架、水凝胶、可注射生物材料及其他复合支架等。

2、在骨修复制作材料中，镁合金由于具有良好的生物安全性和生物相容性、生物可降解性及与人体自然骨匹配度好、力学强度高等优势，是目前公认的最有潜力的骨修复制作材料。但是现有的骨修复材料生物相容性差、或存在阻碍组织愈合或人体自然骨匹配度底或材料的力学强度不足的问题，

技术实现思路

1、为了解决上述问题之一，本申请提供了一种多维骨修复材料，包括合金、水凝胶组成，合金为多孔状结构，水凝胶与合金复合使材料具有可降解性的多孔大表面积，以实现改善骨修复材料腐蚀速率。

2、优选地，所述的合金为镁合金，可降低含多孔镁合金腐骨修复材料的蚀降解速率。

3、优选地，所述多孔结构单元为圆外接五角型构造，多孔内连通，以使材料具有生物相容性或人体自然骨匹配度高或力学强度好。

4、优选地，多孔镁合金由3d打印或钛粒子模板渗流铸造法制备而成，具有孔径尺寸可调多孔连通结构；该骨修复材料降解速率可调控，以实现降解速率与自然骨修复速率相匹配；多孔镁合金在人体内全可降解，通过谷氨酰胺转移酶形成的水凝胶也可完全降解；骨修复材料植入后，冻干水凝胶可吸水形成水凝胶，而形成的水凝胶可进一步阻碍气体的释放以及水凝胶中磷酸基可调控活性金属离子的释放；骨修复材料植入骨缺损部位后可从物理信号、化学信号及生物信号方面促进骨组织长入，全面的促骨再生。

5、本发明还提供一种多维仿生全可降解金属-水凝胶复合骨修复材料的制备方法，其步骤包括：

6、(1)将抛光后的多孔镁合金或渗流铸造法制备的多孔镁合金浸泡在酸水溶液中，温度为10-80℃，浸泡一定时间后，在多孔镁合金内外表面获得酸改性层，水冲洗后，真空干燥备用；

7、(2)第(1)步中的酸水溶液的浓度为0.1-20mg/ml，该溶液的ph值为3-8，所述酸为磷酸肌酸或磷酸；

8、(3)用磷酸修饰的没食子酸改性天然多糖以形成磷酸肌酸改性没食子酸明胶；

9、(4)将磷酸肌酸改性没食子酸明胶溶解在水中，置于20-50℃水浴锅中，然后在该溶液中加入浓度为1-15mg/ml的谷氨酰胺转移酶，搅拌均匀后倒入多孔镁合金支架中，振荡使水凝胶预聚液填充在多孔镁合金支架中，静置一段时间后水凝胶预聚液即可形成可降解金属-水凝胶复合骨修复材料；

10、(5)将得到的可降解金属-水凝胶复合骨修复材料冻干后即可使用。

11、进一步地，用磷酸修饰的没食子酸改性天然多糖以形成磷酸肌酸改性没食子酸明胶的制备方法如下：

12、a)将1-5g明胶溶解在150ml左右去离子水中，40℃上下搅拌溶解数h后得到明胶溶液、命名为a溶液，待用；

13、b)将1-10g没食子酸溶解在125ml左右去离子水和二甲基甲酰胺，待完全溶解后在该溶液中加入3g左右的1-(3-二甲氨基丙基)-3-以及碳二亚胺盐酸盐和3g左右的n-羟基琥珀酰亚胺，搅拌反应数小时，得到b溶液；

14、c)将1g左右磷酸肌酸二钠盐水合溶解在吗啉乙磺酸缓冲溶液中，随后向其中加入edc和nhs,得到c溶液；

15、d)将b和c溶液缓慢加入搅拌的a溶液中，在水浴锅中搅拌反应过夜；e)将反应好的混合物放入透析袋中透析，透析过程中置水浴锅中透析数天，每天更换数次水，之后冻干即可得到磷酸肌酸改性没食子酸明胶。

16、进一步地，所述合金为抛光后的多孔镁合金或渗流铸造法制备的多孔镁合金，所述搅拌均匀后倒入3d打印多孔镁合金支架中。

17、本发明也提供一种多维骨修复材料中镁离子释放测试方法：包括将制备的可降解金属-水凝胶复合骨修复材料样品和/或未经任何处理的多孔镁合金样品浸泡在的sbf模拟体液中，并置于恒温箱中静态浸泡，浸泡期间每24小时全部更换数次sbf溶液，持续浸泡数天，收集每次更换的sbf浸泡液，使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪测量sbf溶液中的镁离子浓度，并绘制镁离子随浸泡时间的释放曲线。

18、本发明的先进性是以实现改善骨修复材料腐蚀速率。

19、相比现有技术，本发明的进一步的优点在于至少具备以下之一优良性能：1)具备多孔连通结构且力学强度高，该特点主要由多孔镁合金所决定，多孔镁合金的力学强度主要由制备工艺及多孔结构尺寸决定，该水凝胶相比于现有3d打印多孔高分子基骨修复材料具有更优异的力学强度，使材料具有生物相容性与人体自然骨匹配度好、力学强度高；2)该仿生骨修复材料降解速率可调控，有望实现降解速率与自然骨修复速率匹配。在该骨修复材料中，多孔镁合金表面的涂层和冻干水凝胶可在动力学上有效缓解电解质溶液或体液渗入多孔镁合金基材，可有效调控多孔镁合金的降解速率；材料植入后，冻干水凝胶可吸水形成水凝胶，而形成的水凝胶可进一步阻碍气体的释放以及水凝胶中磷酸基可调控活性金属离子的释放，该策略相比于只在多孔镁合金表面上构建涂层更有优势，而只有涂层的存在气体及镁离子释放不可控等问题；3)该骨修复材料可控降解释放的适宜浓度镁离子及磷酸根具备良好的促成骨性能；4)在该骨修复材料水凝胶中含有抗氧化的功能(水凝胶中含没食子酸)；5)该骨修复材料在生理环境中属于全可降解型，在降解过程中会释放镁离子、弱碱离子及磷酸肌酸等，这些活性成分均具备一定的促成骨及促血管生成等综合能力，而与之对比的高分子基骨修复材料降解产生的弱酸性物质会引起局部无菌性炎症等问题。综上，该骨修复材料具备多维仿生骨组织结构，植入骨缺损部位后可从物理信号、化学信号及生物信号方面促进骨组织长入，相对于现有技术，本发明所制备的骨修复材料具有更综合更全面的促骨再生功能。

技术特征：

1.一种多维骨修复材料，其特征在于，包括合金、水凝胶组成，合金为多孔状结构，水凝胶与合金复合使材料具有可降解性的多孔大表面积，以实现改善骨修复材料腐蚀速率。

2.如权利要求1所述的多维骨修复材料，其特征在于，所述的合金为镁合金。

3.如权利要求2所述的多维骨修复材料，其特征在于，所述多孔结构单元为圆外接五角型构造，多孔内连通，以使材料具有生物相容性或人体自然骨匹配度高或力学强度好。

4.如权利要求3所述的多维骨修复材料，其特征在于，多孔镁合金由3d打印或钛粒子模板渗流铸造法制备而成，具有孔径尺寸可调多孔连通结构；该骨修复材料降解速率可调控，以实现降解速率与自然骨修复速率相匹配；多孔镁合金在人体内全可降解，通过谷氨酰胺转移酶形成的水凝胶也可完全降解；骨修复材料植入后，冻干水凝胶可吸水形成水凝胶，而形成的水凝胶可进一步阻碍气体的释放以及水凝胶中磷酸基可调控活性金属离子的释放；骨修复材料植入骨缺损部位后可从物理信号、化学信号及生物信号方面促进骨组织长入，全面的促骨再生。

5.一种多维仿生全可降解金属-水凝胶复合骨修复材料的制备方法，其步骤包括：

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，用磷酸修饰的没食子酸改性天然多糖以形成磷酸肌酸改性没食子酸明胶的制备方法如下：

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述合金为抛光后的多孔镁合金或渗流铸造法制备的多孔镁合金，所述搅拌均匀后倒入3d打印多孔镁合金支架中。

8.一种多维骨修复材料中镁离子释放测试方法：包括将制备的可降解金属-水凝胶复合骨修复材料样品和/或未经任何处理的多孔镁合金样品浸泡在的sbf模拟体液中，并置于恒温箱中静态浸泡，浸泡期间每24小时全部更换数次sbf溶液，持续浸泡数天，收集每次更换的sbf浸泡液，使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪测量sbf溶液中的镁离子浓度，并绘制镁离子随浸泡时间的释放曲线。

技术总结
本发明属于医学新材料技术领域，涉及一种多维骨修复材料及其多维仿生全可降解金属‑水凝胶复合骨修复材料的制备方法，为解决现有骨修复材料多孔连通结构与力学强度难以协同提高、成骨活性不足、降解速率不匹配等问题，通过水凝胶与多孔镁合金复合使材料具有一定的力学强度、可降解性、多孔连通结构、细胞相容性及成骨活性，水凝胶可降低多孔镁合金腐蚀降解速率，使材料降解速率与骨修复速率匹配，降解产生的镁离子具有促成骨及血管生成的功能，本申请将在新材料和医学领域具有重大意义。

技术研发人员：陈英奇,赵津,熊奡,秦浩添,翁鉴,于斐,刘朋,康斌,曾晖
受保护的技术使用者：北京大学深圳医院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15