[发明专利]一种多孔金属骨植入材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种多孔金属骨植入材料及其制备方法和应用，属于生物医用材料技术领域，该多孔金属骨植入材料由多孔金属材料基体和填充于多孔金属材料基体孔隙中的丝素蛋白材料组成；其中，多孔金属材料基体由金属原材料粉末通过3D打印制得；丝素蛋白材料中负载有生物活性药物。包括以下步骤：1)根据需求制备个体化定制的3D打印多孔金属材料基体；2)制备丝素蛋白溶液，并将生物活性药物负载于丝素蛋白中；3)将负载生物活性药物的丝素蛋白填充于多孔金属材料基体的孔隙中，然后经冷冻干燥处理，制得多孔金属骨植入材料。该材料结构可精确控制，能做到个体化定制，能够有效改善糖尿病患者中的金属骨植入物的骨整合，降低植入物的松动率。

技术领域

本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种多孔金属骨植入材料及其制备方法和应用。

背景技术

创伤和疾病等造成的骨缺损给患者造成巨大痛苦。在骨损伤修复和功能重建中，由医用金属材料制备的骨骼植入物，比如医用金属螺钉、人工关节、口腔种植体等在骨缺损修复和功能重建中发挥着不可替代的作用。而骨植入物与宿主骨质良好整合并维持长期稳固对患者的临床预后十分关键。

糖尿病是世界性的公共健康难题，而我国早已成为糖尿病全球第一大国。2010年全世界糖尿病患病人群已达3.82亿，其中我国占1.136亿，患病率11.6％，我国的患病人数和患病率都居世界之首，给个人和整个社会都造成严重健康危害和经济负担。糖尿病作为系统性慢性病，造成多器官的并发症，其中骨骼健康也受到严重危害。流行病学研究已证实，与正常人群相比，糖尿病患者中金属骨骼植入物的松动率明显增高，其中脊柱螺钉的松动率高达惊人的30％。松动造成植入物失效，同时可能损伤周围的骨、肌肉、神经和血管等组织，给患者带来巨大痛苦甚至生命威胁。而目前这一严重的临床难题尚未得到有效解决。

在解决骨内植入松动的问题上，内植物本身的改进能发挥关键作用。骨内植物绝大多数为金属，而金属与骨的弹性模量存在很大差异，材料与骨的界面会形成应力屏障，使得植入物与骨无法良好整合，甚至造成材料周围骨溶解，导致植入物的松动和失效。研究显示，在金属材料内形成多孔结构能降低材料的弹性模量，有效减小界面的应力屏障，并给骨组织沿孔隙向植入物内长入提供了空间，从而能改善材料的骨整合。因而，研究者们针对多孔金属材料的制备和优化展开了大量工作，提出了不同的技术方案，如浆料发泡法、冶金技术空间站位法、松装烧结法、多层钛网压缩成孔法等。浆料发泡法等需要采用发泡剂成孔、高温烧结成型等类似手段，钛网压缩成孔法利用多层平面钛网叠加压缩成立体孔隙，这些方法制备的多孔材料孔隙的大小、数量及连通性以及材料整体外形不易控制，制成品的结构和性质的变异性大，重复性差，无法做到医用植入物的标准化精确设计和制备；另有研究证明高温烧结会导致金属材料的理化性质不同程度地改变，无法保证其生物安全性。

此外，患者存在个体差异，不同部位骨骼形态差异大，骨缺损形态常常不规则，因而骨植入物需要形成相匹配的形态和孔隙结构。这使得根据患者的具体情况精确设计和制备个体化的骨骼植入物成为医学发展的大趋势，也是数字医学和生物材料相关领域的研究重点；另一方面，有研究证明，多孔植入物内部不同大小的梯度孔隙设计，能有效优化其多方面的性能，而孔隙结构的精确设计和制备则是技术前提。近年来，随着快速成型技术的发展，3D打印技术在材料制备领域的应用使得材料的个体化定制和材料结构的精确设计和控制成为可能。3D打印不仅能快速制备多孔金属骨内植物，还能避免其他技术方案中存在的许多问题。

医用植入物材料须有可靠的生物安全性，但生物安全性高也意味材料的生物活性低(生物惰性)，即诱导骨组织在材料表面及其周围再生修复的性能差，其中骨植入物制备中应用最广的钛金属就是典型的例子。另外，为有效减小界面的应力屏障，多孔材料的孔隙不能太小，而这又造成骨组织向孔隙内长入困难。

综上，对于糖尿病巨大的患病人群和糖尿病患者骨植入物松动高发的严重问题，开发针对性的骨植入物新型材料具有很大的社会价值和应用前景。

发明内容