CN110575565B - 骨替代材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由β‑三磷酸钙和羟基磷灰石双相复合生物陶瓷，含有硅、钙、磷等成分的具有生物活性的生物玻璃和具有三螺旋结构的I型胶原复合而成的骨替代材料，及其制备方法和应用。该新型材料具有免疫抗原性低，生物相容性佳，高性能的成骨作用，以及较长时间的体内存留。将其应用为骨替代材料，在骨缺损、骨创伤特别是脊柱融合术后中使用，能够有效地增加植骨的成骨率，减少患者自身供骨的痛苦与负担，减少二次手术的几率与病人痛苦，为患者谋取更大的福利。

Description

骨替代材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及医学、医学生物材料学、医学组织工程学以及再生医学技术领域，具体涉及一种由β-三磷酸钙和羟基磷灰石复合双相陶瓷，含有硅、钙、磷等成分的具有生物活性的生物玻璃和具有三螺旋结构的I型胶原复合而成的骨替代材料，及其制备方法和应用。
背景技术
二十世纪末随着整体医学的高速发展，细胞生物学，分子生物学，遗传基因学，组织工程学以及再生医学也随之不断的进步与发展，具有良好性能的生物材料也同时在被迅速的发现与利用。近年来组织工程学和再生医学在临床医学中的快速掘起就证明了这一点。在组织工程和再生医学领域中具有成骨性能的骨替代材料的研究更为普及和广泛，国际上寻求具有更佳成骨效果的骨替代材料的制备和应用获得了显著的发展。
在众多骨替代材料中发现更新、更有效的材料，使之用于脊柱融合方面是重要的研发课题。该材料应具有更加有效的成骨融合效果，更好的生物相容性以及使用方便等特点。在骨疾病造成大范围骨质缺损或脊柱外科手术后为维持脊柱稳定而采用的固定术，大量植骨是必不可少的方法与手段。植骨多以自体骨移植最为有效和肯定，亦称为“黄金法”，而二十世纪八十年代研制成功的骨生长因子（骨形成蛋白-2/BMP-2）因配合I 型胶原膜的使用而获得空前的赞誉，其成骨/融合效果堪舆黄金植骨法相媲美。
对于人体自体骨移植方法，如需求量过大或患者不具备提供自体骨的情况，骨源就会成为问题，同时提供大量自体骨的患者供体部位会造成永久性损伤和残留手术后遗症的痛苦。对于骨形成蛋白的使用风险在其应用20年后也开始显现，潜在导致癌症的发生机率的出现和上升趋势，造成其使用标准需要重新评估，使用量和使用范围也受到限制。
从骨科和创伤外科建立以来，成骨就是其领域内非常重视的急需解决的问题之一，与此同时，同步发展的就是骨替代品的研究、开发，如何发现或合成新的成骨材料和使用，在生物材料科学和生化领域内从来就没有停止过。 从古老年代就知道使用单一化学物质如硫酸钙这一单一简单的材料就直接使用到人体内，随后钙磷双相合成材料的发现使用更加提高了这类材料的使用并取得良好效果；从单一分子形式的物质到高分子材料如羟基磷灰石等材料的更新使用，使得成骨性生物材料又进一步的飞跃；模拟骨成分的钙磷物质到具有生物活性的生物玻璃的研究使用开拓了成骨的新领域；单一无机陶瓷矿物质到与生长因子以及干细胞的配合使用开辟了组织规程和再生医学的新篇章。其中多类的成骨生物材料以不同的材料、配比和制作方法作为骨替代材料和脊柱融合材料在骨科和创伤外科中得到广泛的认同与推广。
单一化学结构的材料如硫酸钙，磷酸钙等物质易于制造获取，但是这类材料的颗粒在体内进行移植后其单一成分的物质很快在体内被分解，不能有效地形成成骨所需的环境、时间和条件，新生骨成骨效果较差。羟基磷灰石这类高分子材料具有类骨成分的结构与组成，但是在体内的分解时间非常长，甚至可长达数年之久，这样长时间的降解速率会影响其成骨效果同时也会造成其他副作用；对于像磷酸钙这类的单一化学物质经提升改进的材料如磷酸三钙等，因其材料的钙磷配比的改变使其成骨效果较单一成分的材料有较大幅度的提升，但是在临床使用中发现其在体内在血液或骨髓血存在的环境中分解较快，发现在其物质未获得有效新骨形成前就已消失而失去其高效的成骨价值而达不到预期的效果。
如何设计并创造一种新的具有高效能成骨而且其生物相容性较佳的材料用于骨替代材料尤其是用于脊柱融合时能提供更佳成骨效果的骨替代产品尤为重要。脊柱融合所需成骨的条件较通常骨缺损填充应用更具有创新性和挑战性。在脊柱融合的动态情况下植骨使其骨替代材料如何能在较短的时间内形成充足坚固的融合骨材料是需要解决问题的关键。
发明内容
为解决如上所述的技术问题，使用天然I型胶原做为材料载体同时加以有特殊含量比例的β-三磷酸钙和羟基磷灰石复合双相陶瓷以及活性生物玻璃等具有良好成骨性能的物质共同形成对修复骨缺损和脊椎融合方面的研究更为前沿和突出。据此，本发明选用接近符合人体骨骼内矿物质与有机物成分自然比例而特定配比的复合材料，其中，无机矿物质总含量与I 型胶原的比例范围介于 60-95%比40-5%，这个比例范围与人体骨骼内的无机物质与有机物质80:20的含量配比较为接近。采用特殊比例的三磷酸钙与羟基磷灰石作为双相陶瓷材料并在材料制作过程中选择形成具有特定孔隙大小的三维孔隙结构，这些三维孔隙结构能扩大材料在体内植骨所需部位和周围骨组织的接触面积，有利于成骨细胞或干细胞利用材料本身的钙磷成分形成新骨。其中材料在和血液或骨髓血共同使用过程中，羟基磷灰石可以起到延长磷酸三钙的吸收降解的时间，保持在体内有充分时间提供形成新骨所需的无机矿物材料。实体性的生物玻璃微颗粒的使用可以利用其微颗粒的形态在磷酸三钙/羟基磷灰石双相陶瓷的孔隙内和移植部位的存在，与成骨细胞充分接触，利用多种化学成分增强成骨效果，同时可使新生骨骨质更为坚固。具有三螺旋结构的天然I型胶原除具有天然骨基质所需的I 型胶原外，其胶原纤维和无机矿物质的复合能够使其胶原纤维可均匀包裹携带双相陶瓷和活性生物玻璃的颗粒，使其能够很好地保持一定形状，同时使内置材料在植骨部位能够保持稳定和牢固，对于成骨细胞的吸附粘连起到重要的作用。
在本发明的一个方面中，涉及一种骨替代材料，由包括β-三磷酸钙和羟基磷灰石的双相复合生物陶瓷、生物活性玻璃以及保持胶原特有三螺旋结构的I型胶原纤维构成。其中，双相复合生物陶瓷与生物活性玻璃共同占比60-95wt%，I型胶原纤维占比40-5wt%；双相复合生物陶瓷与生物活性玻璃的质量比为（58-93）:（1.5-3）。
在优选的实施方式中，所述双相复合生物陶瓷中，β-三磷酸钙占比70-90wt%，羟基磷灰石占比30-10wt%。所述双相复合生物陶瓷呈颗粒状，粒径为0.5-5毫米，孔径为50-1000微米，孔隙率为60-90 %。
在优选的实施方式中，所述生物活性玻璃包括二氧化硅（SiO2）、氧化钠（Na2O）、氧化钙（CaO）和五氧化二磷（P2O5），其质量比为（45±5）:（24.5±5）:（24.5±5）:（6±5）。所述生物活性玻璃呈球形颗粒状，粒径为150-800微米。在优选的实施方式中，所述生物活性玻璃为45S5。
所述I型胶原纤维为以牛跟腱为原料，提取获得的纯度在98%以上的保持I型胶原三螺旋结构的医用天然胶原材料；具体制备方法参见CN101569765B，在此将其公开的相关内容全部并入本文。
在本发明的另一个方面中，涉及一种由包括β-三磷酸钙和羟基磷灰石的双相复合生物陶瓷、生物活性玻璃以及保持胶原特有三螺旋结构的I型胶原纤维构成的骨替换材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
（1）处理I型胶原纤维，获得I型胶原纤维浓缩溶液；
（2）按比例将双相复合生物陶瓷和生物活性玻璃依次添加至步骤（1）获得的I型胶原纤维浓缩溶液；
（3）将步骤（2）获得的溶液分装至模具中；
（4）进行冷冻干燥；
（5）对步骤（4）经冷冻干燥的产物进行低温环氧乙烷或者伽马射线灭菌消毒，获得骨替代材料。
在优选的实施方式中，步骤（1）将I型胶原纤维溶于0.0005-0.002摩尔/升的盐酸溶液中，形成浓度为1-4wt%的悬浊液，优选为0.75-2wt%；在-2～15℃的温度下、以10,000-20,000转/分持续搅拌30-90分钟，使I型胶原纤维悬浊液均质化；随后对均质化后的溶液进行浓缩，即在定速摇床上以25-100转/分的频率摇动，进行真空抽气，持续30-60分钟，随后进行真空过滤，获得浓缩溶液。该步骤中，通过0.5-2摩尔/升的盐酸溶液和0.5-2摩尔/升的氢氧化钠溶液维持pH值介于4-6。
在优选的实施方式中，步骤（2）包括（a）按比例称取包括β-三磷酸钙和羟基磷灰石的双相复合生物陶瓷，并在30-90秒的时间内将其添加至I型胶原纤维浓缩溶液中，搅拌均匀；（b）边搅拌边在步骤（a）获得的溶液中添加0.5-2摩尔/升的盐酸溶液，调节溶液pH值至4-6；（c）按比例称取生物活性玻璃，边搅拌边将其逐步添加至步骤（b）获得的溶液中，至混合均匀。
在优选的实施方式中，步骤（3）包括采用316L不锈钢冷冻模具，模具长250-350毫米、宽150-300毫米、厚3-10毫米，样品槽尺寸分别为35x100x5毫米、28x82x5 毫米、26x62x5毫米、21x52x5 毫米和20x30x5 毫米，盖板厚度3-10毫米，覆盖20-40目的高分子尼龙纱网。将步骤（2）获得的溶液分装至冷冻模具的样品槽中，要求无气泡、无凸起、无凹陷、无明显空隙，装填完成后，将纱网放置在充填材料的表面后，将盖板牢固安装在模具上。
在优选的实施方式中，步骤（4）具体包括（a）预冷冻阶段，温度设置为-20～-4℃，时间30-90分钟，呈动态或持续状态；（b）冷冻阶段，温度设置为-60～-40℃，时间120-300分钟，呈动态状态；（c）升华阶段，温度设置为0℃，时间16-30小时；（d）二次干燥升温阶段，温度设置为20～30℃，时间30-90分钟。冷冻过程中，冷冻干燥机的冷冻柜温度保持在-80℃。步骤（4）各阶段，将冷冻干燥设备的真空度设置在150-300毫托。
在优选的实施方式中，在步骤（4）进行冷冻干燥后，还包括通过化学方法对所获得的产物进行交联加强的步骤。
在优选的实施方式中，步骤（5）所述低温环氧乙烷灭菌消毒参见CN101569765B，在此将其公开的相关内容全部并入本文。具体是指使用环氧乙烷气体进行灭菌消毒，即使用30％-50%环氧乙烷以及50％-70％的二氧化碳在消毒器内进行灭菌，灭菌温度为54℃±2℃；灭菌湿度为50％-70％RH；预真空度为-20～-40Kpa；换气真空度为-40～-60Kpa；换气次数为8次；灭菌时间为3-4小时。所述伽马射线灭菌消毒，将伽马射线灭菌剂量设置为20-50kGy。
在本发明的另一个方面中，涉及一种如上所述的骨替代材料在制备用于骨融合、骨充填材料中的应用。
本发明提供的具有良好生物相容性以及优良成骨性能的骨替代材料用于骨填充，其主要用于脊柱融合术，所制备产品的厚度为3-7毫米，长度为100-25毫米，宽度为20-35毫米。
在制备过程中，配置不同浓度的I型胶原纤维悬浊液，添加不同含量的双相复合生物陶瓷和生物活性玻璃，以及选用不同大小的模具，可以决定在使用本发明的骨替代材料时，如何选取不同矿物质含量的材料配合少量的自体松质骨以获得大量有效的新生松质骨，以用于骨修复和脊柱融合。通过设置不同的冷冻干燥数据参数，可以获得不同孔径的材料。对于像顽固性胫腓骨下端不愈合、巨型骨囊肿、以及脊柱不稳定等的脊柱融合，需要含有较多矿物质的骨替代材料；而对于骨折内固定后植骨或肢体小关节融合等，则可选择使用小剂量矿物质含量的材料。优选宽长厚为21x52x5毫米的材料；更优选宽长厚为26x62x5毫米的材料；最优选宽长厚为28x82x5毫米的材料。
本发明的骨替代材料使用高纯度特殊成分比例的β-三磷酸钙与羟基磷灰石双相复合生物陶瓷、生物活性玻璃和天然保持三螺旋结构的I 型胶原为材料制成，具有如下特点：（1）具有3种成骨成分的成骨替代材料；（2）具有和人体骨骼内I 型胶原与矿质成分最为接近的成骨替代材料；（3）特殊配比的β-三磷酸钙与羟基磷灰石复合矿物质具有特殊直径大小的三维孔隙结构；（4）含有多种矿物成分的具有生物活性的生物玻璃；（5）高纯度的非溶解性天然I型胶原纤材料的使用；（5）无交联加强或经化学交联加强方法制成的片状材料可在体内较为长久的存留有利于新生骨的形成；（6）固态或泥灰状材料易于骨缺损或脊柱融合手术时充填，可充分接触植骨部位的创面，发挥成骨或脊柱融合的功能；（7）特殊配比的β-三磷酸钙与羟基磷灰石复合陶瓷、生物玻璃和天然保持三螺旋结构的I 型胶原所形成的固态骨替代材料，具有高成骨性能，生物相容性好，长时间的体内存留，同时具有独特的塑性性能，易于在手术中使用。
98%纯度的具有三螺旋结构的I型胶原材料以近体内骨成分配比的含量在材料中的使用可以充分发挥其细胞外间质的作用，使骨替代材料中矿物质在胶原载体中保持均匀分布，在有利的生物环境下加速成骨细胞的形成，有利的促进新生骨的形成。
天然保持三螺旋结构的I型胶原材料协同多种矿物质的骨替代材料具有免疫抗原性低，无异物反应，生物相容性好，较长时间体内的存留，同时具有特殊直径大小三维孔隙的复合β-三磷酸钙与羟基磷灰石材料可以允许其具有更多的与细胞和其他物质的内接触面，使其更好的有利于干细胞，成骨细胞接触、移行、粘连与分化，更好的促进成骨。 因不采用任何交联加强可使胶原矿物质材料在与血液和液体接触混合时呈可塑性泥灰状态，易于在脊柱等或凹陷等特殊部位充填使用；而经甲醛等化学试剂进行交联加强的材料则具有坚硬不可塑的性能，多用于码放充填骨缺损或置于脊柱椎体间，抗压性强，稳定牢固；经化学方法交联加强的材料，其内I 型胶原具有更强的抗胶原酶降解的功能，在体内能较长时间的存在。该种新型脊柱融合的骨替代材料主要适用于脊柱外科脊柱融合使用，对于通常的骨折、骨不愈合，骨缺损需要骨替代品的情况下同样是优选材料。
附图说明
图1为本发明骨替代材料的整体外观视图。
图2为本发明的骨替代材料与血液混合后状态的视图。
图3为动物实验内置本发明骨替代材料位置的示意图。
图4为动物实验后X-Ray显示新骨生成和融合现象的视图。
图5为动物实验后显微CT显示新骨生成的视图。
图6为HE组织切片显示成骨形成的视图。
图7为非脱钙组织切片，经三铬染色显示脊柱阶段性融合的视图。
图8为临床应用示意图。
图9为脊柱融合效果示意图。
图10为模具视图。
具体实施方式
下文结合附图以实施例的方式对本发明的原理和特征进行描述，所描述的实施例仅用于解释本发明，并不意图对本发明的范围构成任何限定，本发明所要求保护的范围仅通过所附的权利要求来限定。同时，应当清楚的是，下文所描述的实施例仅为本发明最佳实施方式，发明内容部分记载的各实施方案均能够解决本发明所要解决的技术问题，达到本发明所能够达到的技术效果。
实施例1：制备骨替代材料
选用经检疫检验合格的中国和澳大利亚进口牛跟腱，经清除腱鞘，周围脂肪组织等去杂质工序，再经切割- 脱脂-碱化-中和-以及清洗工序获取高纯度保持三螺旋结构的天然I 型胶原材料。制备方法具体参见CN101569765B。
处理I型胶原纤维，获得I型胶原纤维浓缩溶液：将I型胶原纤维溶于0.001摩尔/升的盐酸溶液中，形成浓度为2wt%的悬浊液1500ml；在10℃的温度下、以15,000转/分持续搅拌60分钟，使I型胶原纤维悬浊液均质化；上述过程中，维持溶液pH值介于4-6。其后，对均质化后的溶液进行浓缩，在定速摇床上以75转/分的频率摇动，进行真空抽气，持续45分钟，随后进行真空过滤，获得浓缩溶液500ml。
按比例将双相复合生物陶瓷和生物活性玻璃依次添加至上述步骤获得的I型胶原纤维浓缩溶液：称取50g包括β-三磷酸钙和羟基磷灰石的双相复合生物陶瓷，其中β-三磷酸钙占比80wt%，羟基磷灰石占比20wt%，并在90秒的时间内将其添加至上述I型胶原纤维浓缩溶液中，搅拌均匀，随后边搅拌边添加1摩尔/升的盐酸溶液，调节溶液pH值至4-6。称取1g生物活性玻璃45S5，边搅拌边将其逐步添加至上述步骤获得的溶液中，至混合均匀。
将上述步骤获得的溶液分装至模具中：所述模具采用316L不锈钢冷冻模具，模具长300毫米、宽200毫米、厚6毫米，样品槽尺寸为26x62x5毫米，盖板厚度10毫米，覆盖30目的高分子尼龙纱网。该过程要求无气泡、无凸起、无凹陷、无明显空隙，装填完成后，将纱网放置在充填材料的表面后，将盖板牢固安装在模具上。
冷冻干燥：将冷冻模具置于冷冻干燥设备内，进行冷冻干燥。其中，预冷冻阶段的温度设置为-4℃，时间60分钟，呈持续状态；冷冻阶段的温度设置为-40℃，时间180分钟，呈动态状态；冷冻过程中，冷冻干燥机的冷冻柜温度保持在-80℃。升华阶段的温度设置为0℃，时间24小时；二次干燥升温阶段的温度设置为25℃，时间60分钟，真空度设置为300毫托。
对上述步骤经冷冻干燥获得的产物进行低温环氧乙烷灭菌消毒：使用40%环氧乙烷以及60％的二氧化碳在消毒器内进行灭菌，灭菌温度为54℃±2℃；灭菌湿度为60％RH；预真空度为-30Kpa；换气真空度为-50Kpa；换气次数为8次；灭菌时间为3小时。
实施例2：实验方法和结果
本发明的特点是在脊柱外科手术后，脊柱稳定性出现问题需要进行脊柱融合手术时，作为骨替代材料和手术中手术部位清除的骨屑松质骨混合使用，可避免大量自体其他部位的取骨需求，减少病人痛苦和后遗症。通常的骨替代产品作为骨填充材料被广泛使用，但是作为脊柱融合处理时的骨移植，对骨的需求量和质量均要求高，而且融合的质量直接关系到术后病人脊柱的稳定性和疼痛复发的机率。为此，作为骨替代材料且用于脊柱融合的材料，其成骨要求更高，研究和制作的要求也更高。作为骨替代材料，本发明人在材料学的使用上选择更接近人体需求的材料，而且对生物陶瓷和生物玻璃与I型胶原的复合使用上，对其选择更为精准是首要的考虑。 同时生物学方面的动物体内实验是检验材料功效的重要手段，对于在脊柱融合方面使用的骨替代材料就更要选择较大型动物的脊柱术后融合做为动物模型的第一选择。术后的验证方法除通常的脱钙和不脱钙组织用以观察组织的生物相容性的材料安全以及组织细胞成骨的反应，非脱钙骨切片的观察用于判断成骨的质量以及连接脊柱横突的功效。另外，定期的植骨部位X-Ray检查可对植骨部位的骨替代材料的新骨形成的动态发展进行系统的观察，同时可以对骨形成与骨吸收的动态变化提供有价值的信息； 显微骨扫描的使用可客观有效的观察判断脊柱融合的横突成骨间融合的状态，其中包括成骨数量、范围以及微结构；在脊柱力学检测融合效果方面多采用人工被动检测脊柱融合阶段的屈伸强度和范围。综合多种方法的验证结果，最后可以获得真实、可靠的骨融合骨替代材料的功能与效果。
本发明骨替代材料的生物学实验具体如下：
选取35只新西兰大白兔进行实验。全麻动物后脊柱后，正中切口，范围包括腰椎4-6部位，确认腰椎5-6横突并充分显露腰椎5-6节段的横突和部分椎体，使用钻去除横突皮质，显露松质骨并造成渗血。取外周静脉血与骨替代材料充分混合，将骨替代材料与暴露横突和腰椎侧面时的骨屑混合成型后，置于腰椎5-6横突间且靠近腰椎5-6椎体旁侧（不要过度放置于椎体上），材料内置后压实，缝合肌肉，关闭伤口。术后6周、12周以及28周进行X-Ray 射线检查。在动物处死日期前进行显微CT扫描检查， 其后部分动物进行腰椎5-6 节段的人工被动力学检查，以证实力学上融合效果。部分腰椎标本以10%福尔马林固定。动物处死的时间为术后6周，12周28周。
X-Ray射线检查：在随访的动物组别中，术后即时、6、12和28周的X-ray显示内置的骨替代材料位置稳定无移动，随着时间的延长，材料内骨矿物质的密度逐渐减小，伴有吸收现象。同时在28周动物组中，放射影像显示内置物周边有“包裹”形成，横突间新骨联合显现，但是羟基磷灰石的成分颗粒依然清晰可见。
肉眼观察：在腰椎5-6横突间部位组织明显增厚。在剔除标本周围组织时，可以发现内置的材料依然存在，同时与新生骨混为一体。人工被动力学检测腰椎5-6节段的融合强度时发现，紧握腰椎5的上端和腰椎6的下端行前后或左右的弯曲活动，腰椎5-6节段间无任何前后或左右的弯曲活动现象发生。与腰椎4-5和腰椎6以下的节段关节发生弯曲形成鲜明对照，这证明腰椎5-6横突间融合达到满意的效果。
显微CT 扫描：腰椎5-6节段进行显微CT扫面显示，横突间有大量的新生骨质形成，并连接腰椎5和腰椎6的横突。断层影像显示内置部位的骨替代品已形成连接式包裹，其内有新生骨形成，但羟基磷灰石颗粒依然可见。
组织学检查：
脱钙骨检查：经福尔马林固定、EDTA脱钙后进行蜡块包埋，制成5-6微米的切片，采用蓝-嗜伊红（HE）染色进行组织学检查，显微镜下未发现异常组织细胞，无浆细胞、嗜酸性，嗜碱性细胞出现，可见一定量的淋巴细胞。4周的动物组别中显示由有序的成骨细胞排列与横突上以及矿物质的表面，新生组织内可见软骨细胞的出现，这意味着以软骨成骨的生理过程在内置材料中同样发生。
非脱钙骨检查：未经脱钙的腰椎5-6节段包埋于PMMA 塑料中，采用切片机进行100-200微米的切片，经三铬染色检测成骨程度、数量以及新生骨的“包裹”连接状态。光学显微镜下显示蓝色的物质，显示新生骨质包裹上下椎体的横突，使其融合于内置的骨替代材料形成的新生骨质之中。
本发明提供以特殊含量比例的β-三磷酸钙和羟基磷灰石双相复合生物陶瓷和含有硅、钙、磷成分的具有生物活性的生物玻璃与保持三螺旋结构的I型胶原纤维混合的用于骨融合、骨充填的骨替代材料，及其制备和应用。 该新型材料具有免疫抗原性低，生物相容性佳，高性能的成骨作用，以及较长时间的体内存留。将其应用为骨替代材料，在骨缺损、骨创伤特别是脊柱融合术后的骨替代材料的使用，有效地增加植骨的成骨率，减少患者自身供骨的痛苦与负担，减少二次手术的几率与病人痛苦，为患者谋取更大的福利。

Claims (23)

1.一种骨替代材料，其特征在于：所述骨替代材料用于修复脊柱，由包括β-三磷酸钙和羟基磷灰石的双相复合生物陶瓷、生物活性玻璃以及保持胶原特有三螺旋结构的 I 型胶原纤维构成；其中，双相复合生物陶瓷与生物活性玻璃共同占比60-95wt%，I 型胶原纤维占比40-5wt%；双相复合生物陶瓷与生物活性玻璃的质量比为（58-93）:（1.5-3）；
其中，所述双相复合生物陶瓷中，β-三磷酸钙占比70-90wt%，羟基磷灰石占比30-10wt%；所述双相复合生物陶瓷呈颗粒状，粒径为 0.5-5毫米，孔径为 50-1000微米，孔隙率为60-90 %。
2.根据权利要求1所述的骨替代材料，其特征在于：所述生物活性玻璃包括二氧化硅（SiO2）、氧化钠（Na2O）、氧化钙（CaO）和五氧化二磷（P2O5），其质量比为（45±5）:（24.5±5）:（24.5±5）:（6±5）；所述生物活性玻璃呈球型颗粒状，粒径为150-800微米。
3.根据权利要求2所述的骨替代材料，其特征在于：所述生物活性玻璃为45S5。
4.根据权利要求1至3任一项所述的骨替代材料，其特征在于：所述I型胶原纤维为以牛跟腱为原料，提取获得的蛋白纯度在98%以上的保持I型胶原三螺旋结构的医用天然胶原材料。
5.一种根据权利要求1至4任一项所述的骨替换材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
（1）处理 I 型胶原纤维，获得I型胶原纤维浓缩溶液；
（2）按比例将双相复合生物陶瓷和生物活性玻璃依次添加至步骤（1）获得的 I 型胶原纤维浓缩溶液；
（3）将步骤（2）获得的溶液分装至模具中；
（4）进行冷冻干燥；
（5）对步骤（4）经冷冻干燥的产物进行低温环氧乙烷或者伽马射线灭菌消毒，获得骨替代材料。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤（1）将I型胶原纤维溶于0.0005-0.002摩尔/升的盐酸溶液中，形成浓度为1-4wt%的悬浊液；在-2～15℃的温度下、以10,000-20,000转/分持续搅拌30-90分钟，使I型胶原纤维悬浊液均质化；随后对均质化后的溶液进行浓缩，即在定速摇床上以25-100转/分的频率摇动，进行真空抽气，持续30-60分钟，随后进行真空过滤，获得浓缩溶液；该步骤中，通过0.5-2摩尔/升的盐酸溶液和0.5-2摩尔/升的氢氧化钠溶液维持pH值介于4-6。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述悬浊液的浓度为0.75-2wt%。
8.根据权利要求5至7任一项所述的方法，其特征在于：步骤（2）包括（a）按比例精准称取包括β-三磷酸钙和羟基磷灰石的双相复合生物陶瓷，并在30-90秒的时间内将其添加至I 型胶原纤维浓缩溶液中，搅拌均匀；（b）边搅拌边在步骤（a）获得的溶液中添加0.5-2摩尔/升的盐酸溶液，调节溶液pH值至4-6；（c）按比例精准称取生物活性玻璃，边搅拌边将其逐步添加至步骤（b）获得的溶液中，至混合均匀。
9.根据权利要求5至7任一项所述的方法，其特征在于：步骤（3）包括采用316L不锈钢冷冻模具，模具长250-350毫米、宽150-300毫米、厚3-10毫米，样品槽尺寸分别为35x100x5毫米、28x82x5 毫米、26x62x5 毫米、21x52x5 毫米和20x30x5 毫米，盖板厚度3-10毫米，覆盖20-40目的高分子尼龙纱网。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤（3）包括采用316L不锈钢冷冻模具，模具长250-350毫米、宽150-300毫米、厚3-10毫米，样品槽尺寸分别为35x100x5毫米、28x82x5 毫米、26x62x5 毫米、21x52x5 毫米和20x30x5 毫米，盖板厚度3-10毫米，覆盖20-40目的高分子尼龙纱网。
11.根据权利要求5至7、10中任一项所述的方法，其特征在于：步骤（4）具体包括（a）预冷冻阶段，温度设置为-20～-4℃，时间30-90分钟，呈动态或持续状态；（b）冷冻阶段，温度设置为-60～-40℃，时间120-300分钟，呈动态状态；（c）升华阶段，温度设置为0℃，时间16-30小时；（d）二次干燥升温阶段，温度设置为20～30℃，时间30-90分钟；
冷冻过程中，冷冻干燥机的冷冻柜温度保持在-80℃；冷冻干燥设备的真空度设置在150-300毫托。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤（4）具体包括（a）预冷冻阶段，温度设置为-20～-4℃，时间30-90分钟，呈动态或持续状态；（b）冷冻阶段，温度设置为-60～-40℃，时间120-300分钟，呈动态状态；（c）升华阶段，温度设置为0℃，时间16-30小时；（d）二次干燥升温阶段，温度设置为20～30℃，时间30-90分钟；
冷冻过程中，冷冻干燥机的冷冻柜温度保持在-80℃；冷冻干燥设备的真空度设置在150-300毫托。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤（4）具体包括（a）预冷冻阶段，温度设置为-20～-4℃，时间30-90分钟，呈动态或持续状态；（b）冷冻阶段，温度设置为-60～-40℃，时间120-300分钟，呈动态状态；（c）升华阶段，温度设置为0℃，时间16-30小时；（d）二次干燥升温阶段，温度设置为20～30℃，时间30-90分钟；
冷冻过程中，冷冻干燥机的冷冻柜温度保持在-80℃；冷冻干燥设备的真空度设置在150-300毫托。
14.根据权利要求5至7、10、12至13中任一项所述的方法，其特征在于：在步骤（4）进行冷冻干燥后，还包括通过化学方法对所获得的产物进行交联加强的步骤。
15.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：在步骤（4）进行冷冻干燥后，还包括通过化学方法对所获得的产物进行交联加强的步骤。
16.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：在步骤（4）进行冷冻干燥后，还包括通过化学方法对所获得的产物进行交联加强的步骤。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：在步骤（4）进行冷冻干燥后，还包括通过化学方法对所获得的产物进行交联加强的步骤。
18.根据权利要求5至7、10、12至13、15至17中任一项所述的方法，其特征在于：步骤（5）所述低温环氧乙烷灭菌消毒具体是指使用环氧乙烷气体进行灭菌消毒，即使用30％-50%环氧乙烷以及50％-70％的二氧化碳在消毒器内进行灭菌，灭菌温度为54℃±2℃；灭菌湿度为50％-70％RH；预真空度为-20～-40Kpa；换气真空度为-40～-60Kpa；换气次数为8次；灭菌时间为3-4小时；
步骤（5）所述伽马射线灭菌消毒过程中，将伽马射线灭菌剂量设置为20-50 kGy。
19.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤（5）所述低温环氧乙烷灭菌消毒具体是指使用环氧乙烷气体进行灭菌消毒，即使用30％-50%环氧乙烷以及50％-70％的二氧化碳在消毒器内进行灭菌，灭菌温度为54℃±2℃；灭菌湿度为50％-70％RH；预真空度为-20～-40Kpa；换气真空度为-40～-60Kpa；换气次数为8次；灭菌时间为3-4小时；
步骤（5）所述伽马射线灭菌消毒过程中，将伽马射线灭菌剂量设置为20-50 kGy。
20.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤（5）所述低温环氧乙烷灭菌消毒具体是指使用环氧乙烷气体进行灭菌消毒，即使用30％-50%环氧乙烷以及50％-70％的二氧化碳在消毒器内进行灭菌，灭菌温度为54℃±2℃；灭菌湿度为50％-70％RH；预真空度为-20～-40Kpa；换气真空度为-40～-60Kpa；换气次数为8次；灭菌时间为3-4小时；
步骤（5）所述伽马射线灭菌消毒过程中，将伽马射线灭菌剂量设置为20-50 kGy。
21.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：步骤（5）所述低温环氧乙烷灭菌消毒具体是指使用环氧乙烷气体进行灭菌消毒，即使用30％-50%环氧乙烷以及50％-70％的二氧化碳在消毒器内进行灭菌，灭菌温度为54℃±2℃；灭菌湿度为50％-70％RH；预真空度为-20～-40Kpa；换气真空度为-40～-60Kpa；换气次数为8次；灭菌时间为3-4小时；
步骤（5）所述伽马射线灭菌消毒过程中，将伽马射线灭菌剂量设置为20-50 kGy。
22.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：步骤（5）所述低温环氧乙烷灭菌消毒具体是指使用环氧乙烷气体进行灭菌消毒，即使用30％-50%环氧乙烷以及50％-70％的二氧化碳在消毒器内进行灭菌，灭菌温度为54℃±2℃；灭菌湿度为50％-70％RH；预真空度为-20～-40Kpa；换气真空度为-40～-60Kpa；换气次数为8次；灭菌时间为3-4小时；
步骤（5）所述伽马射线灭菌消毒过程中，将伽马射线灭菌剂量设置为20-50 kGy。
23.根据权利要求1至4任一项所述的骨替代材料以及根据权利要求5至22任一项所述的方法制备获得的骨替代材料在制备用于骨融合、骨充填材料中的应用。
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