一种大段骨修复用的金属矿化胶原双向梯度支架及制备方法

本发明涉及生物医用材料，尤其是涉及一种大段骨修复用的金属矿化胶原双向梯度支架及制备方法。

背景技术：

1、大段骨缺损多由高能量创伤、骨肿瘤切除、先天性畸形等引发，超出骨组织自我修复阈值，易继发骨不连、慢性疼痛与功能障碍，是临床骨科治疗的难题。骨组织工程支架是骨缺损修复的核心载体，当前研究主要围绕材料与结构两大方向展开。

2、材料体系上，可降解金属支架力学性能优异，可满足承重部位支撑需求，但生物活性不足、成骨诱导能力有限；矿化胶原模拟天然骨细胞外基质组成，生物相容性与骨整合性优良，但力学强度偏低，无法单独用于承重骨缺损修复。

3、结构设计上，传统梯度支架普遍采用外密内疏的仿生构型，虽在形态上复刻天然骨层级结构，但外层致密孔隙会阻碍细胞、营养物质向内迁移，限制新骨由外向内长入，影响骨整合效率；单一孔径结构也难以提供适配骨再生的多样化微环境与连续力学过渡。

4、因此，亟需开发一种兼顾力学支撑、生物活性与物质传输性能的新型梯度骨修复支架，以适配大段承重骨缺损的临床修复需求。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有骨支架力学与生物活性难以兼顾、传统外密内疏结构阻碍骨长入的缺陷，提供一种双向梯度复合支架及其制备方法，反向锌合金基体提供稳定力学支撑，梯度矿化胶原强化成骨诱导，适配四肢大段承重骨缺损修复。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种大段骨修复用的金属矿化胶原双向梯度支架，包括可降解锌合金多孔基体以及填充于所述可降解锌合金多孔基体内部孔隙的梯度矿化胶原；

3、所述可降解锌合金多孔基体为外疏内密的反向梯度多孔结构，作为支架的力学支撑相；所述梯度矿化胶原为外高内低的径向矿化梯度结构，作为支架的生物诱导相；所述可降解锌合金多孔基体与梯度矿化胶原复合形成双向梯度整体结构，用于大段骨缺损修复。

4、优选的，所述可降解锌合金多孔基体为圆环-连杆堆叠式多孔结构，轴向方向上圆环与连杆交替排布，径向方向由若干层同心圆构成；相邻同心圆之间的径向间距由外向内逐级减小。

5、优选的，所述可降解锌合金的材料参数为：密度6.975g/cm3，杨氏模量8.8×103mpa，泊松比0.3。

6、优选的，所述梯度矿化胶原由i型胶原与海藻酸钠复合水凝胶经体外扩散矿化制得；配制时，浓度1.5%的i型胶原原液稀释为1%胶原溶液，与浓度1%的海藻酸钠溶液按照体积比1:1混合得到复合水凝胶基体。

7、优选的，所述梯度矿化胶原的孔隙率沿径向从边缘至中心逐步升高；其径向弹性模量由外向内逐级递减；所述梯度矿化胶原沿径向从边缘至中心，钙元素、磷元素沉积量逐步降低。

8、优选的，所述可降解锌合金多孔基体的弹性模量为650-750mpa，与人体松质骨的弹性模量相匹配。

9、本发明还提供了上述大段骨修复用的金属矿化胶原双向梯度支架的制备方法，包括以下步骤：

10、s1、反向梯度可降解锌合金多孔基体的制备：采用圆环与连杆交替堆叠的多孔结构设计可降解锌合金多孔基体，通过有限元轴向压缩仿真分析圆环高度、连杆高度及径向同心圆间距对支架力学性能的影响，筛选最优结构参数，通过3d打印技术制备得到孔隙率由外向内逐渐降低的外疏内密反向梯度可降解锌合金多孔基体；

11、s2、梯度矿化胶原材料制备：以i型胶原与海藻酸钠为原料配制复合水凝胶前驱体，经交联成型后浸入仿生矿化液中进行时序扩散矿化，通过控制矿化时长调控矿物离子的扩散沉积程度，得到边缘矿化程度高、中心矿化程度低的径向梯度矿化胶原；

12、s3、双向梯度复合成型：将梯度矿化胶原填充至可降解锌合金多孔基体的孔隙内部，经冷冻干燥处理后，得到金属矿化胶原双向梯度支架。

13、优选的，s1中，所述有限元轴向压缩仿真的过程为：

14、建立可降解锌合金多孔基体三维模型并划分四面体网格；设置下底面完全固定、上压板施加轴向压缩位移的边界条件，压缩量为支架高度的10%；以应力分布均匀性、最大应力值及弹性模量为评价指标，对比不同参数组合的力学性能，筛选得到匹配人体松质骨力学特性的最优结构。

15、优选的，s2中，所述复合水凝胶前驱体的配制方法为：将i型胶原蛋白原液用乙酸和去离子水稀释至质量分数为1%，采用naoh溶液调节ph至中性；配制质量分数为1%的海藻酸钠水溶液，室温搅拌至完全溶解澄清；将胶原溶液与海藻酸钠溶液按体积比1:1混合，在4℃条件下温和搅拌2~4h至混合均匀；

16、所述交联成型的工艺为：将复合水凝胶前驱体注入成型模具，加入浓度为20mm的cacl2溶液，室温静置30min完成交联；交联后取出凝胶，用去离子水冲洗3次，每次冲洗时长为2min。

17、优选的，s2中，所述仿生矿化液的组成为：含0.1wt%聚丙烯酸、20mm cacl2、12mm(nh4)2hpo4的水溶液，采用naoh调节ph值至7.4；

18、所述时序扩散矿化的工艺参数为：将交联后的水凝胶完全浸没于仿生矿化液中，矿化周期为0~6天；每24h更换一次新鲜矿化液，每次换液时采用去离子水冲洗样品3次，每次2min；矿化结束后取出样品，经冷冻干燥得到径向梯度矿化胶原。

19、因此，本发明采用上述一种大段骨修复用的金属矿化胶原双向梯度支架及制备方法，具有以下有益效果：

20、1）力学性能优异：可降解锌合金多孔基体弹性模量与人体松质骨匹配，可有效避免应力屏蔽效应；复合支架通过界面协同承载优化应力分布，兼具强度与韧性。

21、2）仿生梯度结构：梯度矿化胶原呈现由外向内递减的径向力学梯度，与天然骨组织力学过渡特征高度契合。

22、3）生物活性优良：外疏内密反向梯度结构具有更高的渗透率与更温和的壁面剪切应力，有利于细胞黏附、营养传输与骨组织长入；梯度矿化胶原具备良好的生物相容性与成骨诱导能力，协同提升大段骨缺损修复效率。

23、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

1.一种大段骨修复用的金属矿化胶原双向梯度支架，其特征在于，包括可降解锌合金多孔基体以及填充于所述可降解锌合金多孔基体内部孔隙的梯度矿化胶原；

2.根据权利要求1所述的大段骨修复用的金属矿化胶原双向梯度支架，其特征在于，所述可降解锌合金多孔基体为圆环-连杆堆叠式多孔结构，轴向方向上圆环与连杆交替排布，径向方向由若干层同心圆构成；相邻同心圆之间的径向间距由外向内逐级减小。

3.根据权利要求1所述的大段骨修复用的金属矿化胶原双向梯度支架，其特征在于，所述可降解锌合金的材料参数为：密度6.975g/cm3，杨氏模量8.8×103mpa，泊松比0.3。

4.根据权利要求1所述的大段骨修复用的金属矿化胶原双向梯度支架，其特征在于，所述梯度矿化胶原由i型胶原与海藻酸钠复合水凝胶经体外扩散矿化制得；配制时，浓度1.5%的i型胶原原液稀释为1%胶原溶液，与浓度1%的海藻酸钠溶液按照体积比1:1混合得到复合水凝胶基体。

5.根据权利要求4所述的大段骨修复用的金属矿化胶原双向梯度支架，其特征在于，所述梯度矿化胶原的孔隙率沿径向从边缘至中心逐步升高；其径向弹性模量由外向内逐级递减；所述梯度矿化胶原沿径向从边缘至中心，钙元素、磷元素沉积量逐步降低。

6.根据权利要求1所述的大段骨修复用的金属矿化胶原双向梯度支架，其特征在于，所述可降解锌合金多孔基体的弹性模量为650-750mpa，与人体松质骨的弹性模量相匹配。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的大段骨修复用的金属矿化胶原双向梯度支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，s1中，所述有限元轴向压缩仿真的过程为：

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，s2中，所述复合水凝胶前驱体的配制方法为：将i型胶原蛋白原液用乙酸和去离子水稀释至质量分数为1%，采用naoh溶液调节ph至中性；配制质量分数为1%的海藻酸钠水溶液，室温搅拌至完全溶解澄清；将胶原溶液与海藻酸钠溶液按体积比1:1混合，在4℃条件下温和搅拌2~4h至混合均匀；

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，s2中，所述仿生矿化液的组成为：含0.1wt%聚丙烯酸、20mm cacl2、12mm (nh4)2hpo4的水溶液，采用naoh调节ph值至7.4；