基于锰单原子纳米酶功能化的3D打印复合支架材料

本发明涉及骨组织工程，具体涉及一种用于感染性骨缺损的支架材料。背景技术：1、开放性创伤、骨肉瘤、感染或先天性疾病等引起的骨缺损一直是骨科一项具有挑战性的工作。尤其是感染性骨缺损，它同时涉及骨缺损和骨感染，对人类健康的威胁越来越大。传统的治疗策略，包括游离腓骨移植、papineau技术(开放性骨移植)、masquelet技术、illizarov方法、抗感染重组异种骨移植等，都有一些缺点。不令人满意的疗效归因于自体移植物的二次创伤、同种异体移植物的免疫排斥反应以及骨水泥难以降解需要二次手术等因素。因此开发一种不仅具有良好的成骨分化能力用于修复骨缺损而且具有杀菌能力的生物材料，具有重要的科学和临床意义。2、近年来新兴的骨组织工程为治疗严重的感染性骨缺损提供了线索。具有较高的骨传导性、骨诱导性和骨整合性的生物材料已被设计用于骨缺损修复，主要包括生物陶瓷和可生物降解聚合物等。生物陶瓷支架由于其亲水性和与实际骨骼相近的化学成分组成而备受关注。通常生物活性和可降解性是生物陶瓷支架具有新骨生长速率的关键因素，这些特征可以通过调节材料组成成分来实现。生物活性玻璃(bg)作为一种应用广泛的生物陶瓷材料，其生物活性和生物降解性优于羟基磷灰石(ha)和β-磷酸三钙(β-tcp)。然而生物活性玻璃的脆性、中等水平的生物活性和不可调节的降解性限制了其应用。此外，感染性骨缺损的愈合取决于细菌的有效清除，大多数用于骨再生的支架生物材料难以清除细菌感染。因此，各种抗菌药物(如环丙沙星、庆大霉素和万古霉素)或具有抗菌性能的纳米材料，如银、金、铜和锌已在加入到支架中，用于提高抗菌活性。然而抗生素耐药性和令人不安的生物相容性可能仍然是这种策略面临的主要挑战。技术实现思路1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种具有抗菌活性、且生物相容性强、可用于骨缺损治疗的3d打印复合支架材料。2、为了达到上述目的，本发明提供了基于锰单原子纳米酶功能化的3d打印复合支架材料，该3d打印支架材料通过以下方法制备：3、(1)制备锰单原子纳米酶：制备zif-8前驱体，对其进行刻蚀获得空心的zif-8结构，再进行锰吸附，获得锰吸附的空心zif-8结构；将锰吸附的空心zif-8放入管式炉中加热至700～900℃，并在保护气氛下维持1～3小时，自然降至室温，得到高温热解产物；将高温热解产物超声分散后，按照3:1～1:3的质量比加入透明质酸，浓度混合搅拌两小时，离心，冷冻干燥即得锰单原子纳米酶；4、(2)制备生物活性玻璃支架的打印墨水：以生物陶瓷粉末为原料制备打印墨水；所述生物陶瓷粉末包括45s5生物玻璃和双相磷酸钙；所述双相磷酸钙采用羟基磷灰石与β-磷酸三钙以质量比6：4混合；所述生物陶瓷粉末中45s5生物玻璃质量百分含量为10％～50％；5、(3)制备3d打印复合支架材料：以步骤(1)中锰单原子纳米酶和步骤(2)中生物活性玻璃支架的打印墨水为原料，采用浸泡法、化学固定法、原位生长法或渗入法进行3d打印复合支架材料的制备。6、本发明以锰(mn)原子锚定在无定形的氮掺杂碳结构上，然后在表面包覆透明质酸，制备锰单原子纳米酶，通过将锰单原子纳米酶整合到3d打印复合支架中，基于过氧化物酶和氧化酶等的多酶催化活性，纳米酶触发的化学动力学疗法可以催化内源性过氧化氢或氧气，以产生活性氧(如羟基自由基和超氧阴离子等)，由此提高了3d打印支架材料的抗菌性。7、且3d打印作为骨组织工程领域的一项新兴技术，在开发具有可控和复杂特征的个性化植入支架方面具有显著优势。使用数字光处理技术，增材制造可以精确快速地制造多孔生物活性支架。它们可以作为骨替代品或骨缺损填充物。利用3d打印的生物活性玻璃支架具有的良好的维持骨髓间充质干细胞附着、促进骨髓间充质干细胞增殖、体外刺激成骨分化以及体内启动骨再生的能力，将单原子纳米酶整合到3d打印的生物活性玻璃支架中，构建了一种具有特异性抗菌活性和提高骨再生能力的多功能支架。8、此外，锰单原子纳米酶还具有显著的热转换效率，可用于声动力治疗。本发明以3d打印的生物活性玻璃支架上整合锰单原子纳米酶，通过化学动力治疗和声动力治疗协同策略能够产生足够的活性氧来杀死细菌，且能有效避免对正常组织的毒性，在为实现光谱抗菌治疗提供可能性的同时，还能克服传统药物治疗的不足，如耐药性。9、更为具体的，本发明基于锰单原子纳米酶功能化的3d打印复合支架材料通过以下步骤制备：10、1.锰单原子纳米酶的具体制备包括以下步骤：11、(1)将含有六水合硝酸锌(锌盐选取硝酸锌、氯化锌均可，本发明优选六水合硝酸锌)和十六烷基三甲基溴化铵(表面活性剂)的混合溶液滴加到2-甲基咪唑水溶液中，室温剧烈搅拌2小时，离心，冷冻干燥得到zif-8前驱体。12、(2)将zif-8前驱体超声分散后，加入单宁酸水溶液，室温条件下搅拌两小时，对其结构进行刻蚀，离心，冷冻干燥，得到空心的zif-8结构。13、(3)将空心zif-8超声分散后，缓慢加入四水合氯化锰(锰盐选取硝酸锰、氯化锰均可，本发明优选四水合氯化锰)水溶液，室温搅拌三小时，离心，冷冻干燥，得锰吸附的空心zif-8结构。14、(4)将锰吸附的空心zif-8放入管式炉中以加热速率5℃/min加热至900℃(反应温度700～900℃均可，本发明优选900℃)并在氩气保护(保护气氛可选择氩气或氮气)下维持两小时(反应时间1～3小时均可，本发明优选2小时)，自然降至室温，得到高温热解产物。15、(5)将上述热解产物超声分散后，加入透明质酸，按照1：1质量浓度(热解产物与透明质酸质量比为3:1～1:3均可，本发明优选1:1)混合搅拌两小时，离心，冷冻干燥即得锰单原子纳米酶。16、2.生物活性玻璃支架的具体制备包括以下步骤：17、(1)1,6-己二醇二丙烯酸酯(hdda)和三丙二醇二丙烯酸酯(tpgda)按照质量比7：3混合，作为溶剂。18、(2)聚合物分散剂41000(4％)，二苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦(tpo,作为光激发剂，0.5％)，和羟基苯甲醚(mehq，作为光抑制剂，0.1％)加入到上述溶剂中，搅拌两分钟。19、(3)生物陶瓷粉末，主要组成成分为20％的45s5生物玻璃(45s5生物玻璃的质量百分含量在10％～50％均可，本发明优选20％)，80％的双相磷酸钙(羟基磷灰石：β-磷酸三钙＝6：4)加入到上述溶剂并在真空行星式搅拌消泡机中以3000r/分钟混合三分钟。20、(4)最后，获得固体含量为40％体积分数的打印墨水。21、(5)根据应用对象物种和骨缺损部位的不同，设计支架，依据以下公式，通过matlab软件实现。22、23、其中，a值表示立方单位格长度，t值调控三周期极小曲面多孔结构包围的体积。24、3.锰单原子纳米酶功能化的3d打印支架材料的制备可采用浸泡法、化学固定法、原位生长法、掺入法(采用掺入法时，将锰单原子纳米酶作为生物陶瓷粉末的组分，制备支架的打印墨水)，本发明优选浸泡法，具体步骤如下：25、(1)将生物活性玻璃支架放入锰单原子纳米酶水溶液(称取一定量纳米酶，分散到水中制备成所需浓度的纳米酶水溶液，浓度为1～3mg/ml,本发明优选2mg/ml)中，置于摇床中浸泡两小时，后放入60℃烘箱中干燥四小时。26、(2)上述步骤重复三次，即得锰单原子纳米酶功能化的3d打印支架材料。27、本发明还提供了上述3d打印复合材料在制备治疗感染性骨缺损材料上的应用，该材料可用于化学动力治疗及声动力治疗的协同抗菌治疗。28、上述感染性骨缺损包括细菌感染、骨整合不足、骨折、局部骨质疏松、骨肿瘤、骨肿瘤后填充、骨髓炎手术清创或自身性免疫疾病等引起的骨缺损。29、细菌感染为金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、耐甲氧西林金葡菌等。30、骨缺损包括但不限于胫骨缺损、股骨缺损、颅骨缺损、颌骨缺损等。31、本发明相比现有技术具有以下优点：32、本发明使用数字光处理技术开发3d打印生物活性玻璃支架(45s5生物玻璃和双相磷酸钙(羟基磷灰石和β-磷酸三钙))。同时为了获得抗菌活性，通过将锰(mn)原子锚定在无定形的氮掺杂碳结构上，然后在表面包覆透明质酸，制备锰单原子纳米酶，将该纳米酶整合到3d打印复合支架中。制备获得的锰单原子纳米酶功能化的3d打印支架可以通过模拟过氧化氢酶、氧化物酶和过氧化物酶活性，发生级联反应催化过氧化氢转化为活性氧(主要为羟基自由基和超氧阴离子)。此外，锰单原子纳米酶还具有显著的热转换效率，可用于声动力治疗。化学动力治疗和声动力治疗协同策略能够产生足够的活性氧来杀死细菌，为实现广谱抗菌治疗提供了可能，同时能够克服传统药物治疗的不足，如耐药性，在感染性骨缺损修复能力方面可以提供前所未有的优势。33、本发明制备获得的3d打印复合支架对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均具有抗菌活性，同时显示出化学动力治疗和声动力治疗的协同作用。用于兔胫骨茎段缺损，植入支架后可有效改善兔骨增殖和成骨分化，显示出最优的骨修复能力。