針狀硅灰石對(duì)磷酸鹽骨水泥性能的影響

王 志 強(qiáng)，張 睿，趙 壽 建，李 諾

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 化工與材料學(xué)院， 遼寧 大連 116034；2.山東華鵬玻璃股份有限公司， 山東 榮成 264309 )

0 引 言

磷酸鈣骨水泥(calcium phosphate bone cement，CPC)是一種新型的人工骨修復(fù)材料。磷酸鈣骨水泥除了具有良好的生物相容性與骨傳導(dǎo)性外，還具有在手術(shù)過(guò)程中可以任意塑形、固化過(guò)程中放熱少等優(yōu)點(diǎn)。許多學(xué)者對(duì)磷酸鹽骨水泥的組成、性能[1-2]和固化機(jī)理[3]進(jìn)行了大量的研究，并取得了許多有應(yīng)用價(jià)值的成果[4]。盡管磷酸鹽骨水泥有很多優(yōu)良的性能，但是目前進(jìn)入臨床應(yīng)用的CPC骨水泥存在固化后強(qiáng)度較低、耐久性差等性能的不足，使其應(yīng)用受到一定程度的限制。因此，許多學(xué)者通過(guò)在CPC中加入無(wú)機(jī)離子，復(fù)合無(wú)機(jī)、有機(jī)添加劑等對(duì)其性能進(jìn)行改進(jìn)和完善[5-6]。硅灰石粉體具有良好的生物活性和生物相容性，同時(shí)又具有針狀結(jié)構(gòu)，因此可將其添加到生物材料中來(lái)改善機(jī)械性能[7]。因此本論文通過(guò)向骨水泥中添加針狀硅灰石來(lái)改善CPC固化能力和抗壓強(qiáng)度等性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料粉末的制備

羥基磷灰石(HAP)和磷酸四鈣粉體(TTCP)的制備：以Ca(NO3)2和(NH4)2HPO4為先驅(qū)體，采用沉淀法[8]制備出無(wú)定形HAP粉體(未煅燒)。將HA和CaCO3粉末按n(Ca)/n(P)=2.0充分混合，壓制成餅，在1 400 ℃下煅燒4 h后急冷，制得TTCP，粉碎、研磨后過(guò)200目篩。

α-磷酸三鈣(α-TCP)的制備：按n(Ca)/n(P)=1.5將Ca(OH)2溶液向一定濃度的H3PO4溶液中滴入，劇烈攪拌5 h后，抽慮，干燥，然后于1 250 ℃保溫2 h，在空氣中急冷制得α-TCP，粉碎研磨后過(guò)200目篩。

焦磷酸鈣的制備：按n(Ca)/n(P)=1.0將Ca(NO3)2溶液向一定濃度的H3PO4溶液中滴入，可獲得焦磷酸鈣沉淀物，將所得沉淀物用無(wú)水乙醇洗滌，干燥，于1 250 ℃保溫2 h，在空氣中急冷制得Ca2P2O7，粉碎、研磨后過(guò)200目篩。

采用熔融晶化法制備針狀硅灰石[9]：將CaCO3、SiO2、CaF2、Na2CO3和B2O3按照合成硅灰石所需的Ca、Si比混合，于1 420 ℃保溫2 h，然后隨爐冷卻至950 ℃保溫4 h，得到針狀硅灰石的多晶體。采用氣流粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，過(guò)200目篩。

1.2 樣品的制備

基礎(chǔ)磷酸鈣骨水泥配方見(jiàn)表1。在基礎(chǔ)骨水泥配方的基礎(chǔ)上分別添加1%、2%、3%、5%、7%的針狀硅灰石粉體，將對(duì)應(yīng)樣品依次記作1#、2#、3#、4#、5#，基礎(chǔ)配方樣品記作0#。

表1 磷酸鈣鹽骨水泥的配方

將原料按設(shè)計(jì)配比稱量、混合球磨2 h制成CPC粉末，然后與固化液(0.25 mol/L的 K2HPO4/KH2PO4)按液固比為0.60拌和，拌和后將膏體注入不銹鋼模具(φ5.0 mm×8 mm)中，輕壓制成圓柱形，然后在空氣中固化40 min，硬化后置于37 ℃的Ringer’s模擬體液[5]中浸泡，一定周期后對(duì)樣品進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的測(cè)試，并進(jìn)行XRD物相分析(日本理學(xué) D/max-3B)，在SEM(日本電子，JSM-6460LV)下觀察骨水泥的顯微結(jié)構(gòu)。

1.3 測(cè) 試

1.3.1 凝固時(shí)間

采用Gilmore針?lè)?雙針?lè)?測(cè)定骨水泥的初凝和終凝時(shí)間，較輕的針(m=113.4 g)具有較大的橫截面積(d=2.13 mm)，用于測(cè)定初凝時(shí)間tI；較重的針(m=453.6 g)具有較小的橫截面積(d=1.06 mm)，用于測(cè)定終凝時(shí)間tF。

1.3.2 浸泡液的pH值

用PHS-25數(shù)顯pH計(jì)測(cè)定樣品浸泡于Ringer’s溶液后前6 h內(nèi)以及1、2、7和14 d后Ringer’s溶液pH值的變化，研究骨水泥固化過(guò)程中對(duì)周圍組織液pH值的影響。

1.3.3 抗壓強(qiáng)度

分別取浸泡0、7和14 d后的實(shí)驗(yàn)樣品，干燥后在砂紙上磨成上下表面平行的圓柱體，采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅灰石對(duì)凝固時(shí)間的影響

所測(cè)樣品的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間(tI，tF)的測(cè)定結(jié)果列于表2。從表2中可以看出，6種配方骨水泥的凝固時(shí)間均能滿足臨床需要。隨著硅灰石添加量的增加，骨水泥的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均有所縮短，表明針狀硅灰石對(duì)骨水泥具有較強(qiáng)的促凝作用。因?yàn)樗哂泻軓?qiáng)的反應(yīng)活性，促進(jìn)了HAP的形成，從而加快了骨水泥的凝結(jié)，使骨水泥的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間縮短。

表2 所測(cè)樣品的凝結(jié)時(shí)間

2.2 硅灰石對(duì)模擬體液pH值的影響

樣品在Ringer’s溶液中浸泡不同時(shí)間后，浸泡液的pH值的變化曲線見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，4種樣品在Ringer’s溶液的pH值均呈現(xiàn)上升→下降→上升規(guī)律。在骨水泥中添加針狀硅灰石后，溶液的pH增大，但上升的幅度不大，在7.1～7.8，均處于人體安全范圍內(nèi)，對(duì)人體的刺激小，符合植入材料的性能要求。

圖1 骨水泥樣品浸泡不同時(shí)間后Ringer’s溶液pH值變化曲線

Fig.1 The pH value variation of Ringer’s solution with the time of immersion

2.3 硅灰石對(duì)固化體抗壓強(qiáng)度的影響

樣品在Ringer’s溶液分別浸泡0、7和14 d，所測(cè)得的抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表3所示。從表3中可以看出，隨著在骨水泥中硅灰石添加量的增加，骨水泥的抗壓強(qiáng)度普遍得到了明顯的提高。當(dāng)硅灰石的添加量為3%時(shí)，骨水泥的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，為49.23 MPa。這是因?yàn)楣袒w中HAP主要以針狀、纖維狀存在，在擴(kuò)展裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)中，纖維狀的HAP會(huì)導(dǎo)致裂紋發(fā)生彎曲和偏轉(zhuǎn)，起到阻礙裂紋發(fā)展的作用。另外，對(duì)于特定位向和分布的纖維，裂紋很難偏轉(zhuǎn)，只能沿著原來(lái)的擴(kuò)展方向繼續(xù)擴(kuò)展，這時(shí)緊靠裂紋尖端處的纖維并未斷裂，而是在裂紋兩岸搭起小橋，使兩岸連在一起，這會(huì)在裂紋表面產(chǎn)生一個(gè)壓應(yīng)力，以抵消外加拉應(yīng)力的作用，從而使裂紋難以進(jìn)一步擴(kuò)展，起到增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度作用。

表3 所測(cè)樣品的抗壓強(qiáng)度

Tab.3 Compressive strength of the samples MPa

樣品液固比/(mL·g-1)t/d071400.6011.6624.0739.6210.6011.8024.2239.8120.6012.7426.5242.3430.6013.2828.9249.2340.6016.2725.6940.2450.607.3620.8839.13

2.4 固化體的XRD物相分析

對(duì)添加不同量針狀硅灰石的骨水泥在Ringer’s溶液中浸泡14 d的樣品進(jìn)行XRD分析，圖2中a、b、c、d分別為0#、3#、4#、5#樣品在Ringer’s溶液中浸泡14 d的XRD 圖譜。

圖2 骨水泥樣品在Ringer’s溶液中浸泡14 d的XRD圖譜

Fig.2 XRD patterns of the CPC samples after immersed for 14 d in Ringer’s solution

從圖2中可以看出，主要衍射峰為HAP，另外，還存在少量還未參與反應(yīng)α-TCP、TTCP和CPP的衍射峰。這表明4種配方骨水泥中的磷酸鹽在Ringer’s溶液浸泡過(guò)程中不斷地發(fā)生水化反應(yīng)進(jìn)而形成大量的HAP，其中α-TCP、TTCP、DCPD等磷酸鹽的反應(yīng)式[10]分別為

3Ca10(PO4)6(OH)2+2H3PO4

(1)

Ca10(PO4)6(OH)2+2Ca(OH)2

(2)

Ca10(PO4)6(OH)2+4H3PO3+8H2O

(3)

Ca10(PO4)6(OH)2+4H3PO4

(4)

2.5 固化體的微觀結(jié)構(gòu)分析

對(duì)添加不同量針狀硅灰石的骨水泥在Ringer’s溶液中浸泡7 d后的樣品進(jìn)行斷面的SEM觀察，如圖3所示。由圖3可以看出，在Ringer’s溶液中浸泡7 d后，0#、5#樣品其主要以細(xì)顆粒狀相結(jié)合的結(jié)晶聚合體存在，有少量的針狀晶體存在，各晶體之間有少量的空隙存在，結(jié)構(gòu)較疏松。3#樣品主要以針狀、片狀晶體和少量細(xì)顆粒狀緊密相結(jié)合一起，互相攀附，重疊搭接，形成較致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。4#樣品主要以細(xì)顆粒和針狀、片狀的晶體緊密相結(jié)合一起，形成較致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

對(duì)針狀硅灰石添加量為3%的骨水泥在Ringer’s溶液中浸泡7和14 d后的樣品進(jìn)行斷面的SEM對(duì)比觀察，圖4為3#樣品在Ringer’s溶液中浸泡14 d后的SEM圖片。由圖4可以看出，HAP的針狀或棒狀已不是很明顯，取而代之的是片狀膠結(jié)的HAP，固化體的結(jié)構(gòu)更加致密。這是因?yàn)椋S著骨水泥在模擬體液中浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，固化反應(yīng)更完全，不同形狀和尺寸晶體相互交織，使骨水泥具有高的抗壓強(qiáng)度。

圖3 樣品浸泡7 d后的SEM照片

圖4 3#樣品浸泡14 d后的SEM照片

由此說(shuō)明，適量的針狀硅灰石可以促進(jìn)針狀HAP的生成，由于硅灰石具有生物活性，可誘導(dǎo)HAP攀附在針狀硅灰石表面進(jìn)而向針狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，進(jìn)而提高骨水泥的抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

磷酸鹽骨水泥中添加在針狀硅灰石能夠促進(jìn)針狀羥基磷灰石的形成，縮短骨水泥的固化時(shí)間；適量針狀硅灰石可以使骨水泥結(jié)構(gòu)更為緊密，顯著提高骨水泥固化體的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)在骨水泥中添加3%的硅灰石時(shí)，骨水泥的性能達(dá)到最佳，其初、終凝時(shí)間分別為14和28 min，骨水泥樣品浸泡14 d后，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)49.23 MPa。

針狀硅灰石對(duì)浸泡液中的pH值影響較小。在骨水泥中添加硅灰石后，浸泡液中的pH值略有上升，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，浸泡液的pH值在小范圍內(nèi)波動(dòng)，均在安全范圍內(nèi)。

[1] SUN L, XU K H H, TAKAGI S, et al. Fast setting calcium phosphate cement-chitosan composite:mechanical properties and dissolution rates[J]. Journal of Biomaterials Applications, 2007, 21(3):299-315.

[2] 胡繼林,王志強(qiáng). 以α-磷酸三鈣和磷酸四鈣為主要原料的磷酸鹽骨水泥的制備及其性能比較[J]. 大連輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào) 2004, 23(2):79-81.

(HU Ji-lin, WANG Zhi-qiang. Preparation and properties comparison of phosphate bone cements with α-tricalcium phosphate and tetracalcium phosphate as raw materials[J]. Journal of Dalian Institute of Light Industry, 2004, 23(2):79-81.)

[3] 潘春躍,鄺志清,黃可龍,等. 磷酸鈣骨水泥水化機(jī)理研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)研究與應(yīng)用, 2000, 12(4):365-369.

[4] WATANABE M, TANAKA M, SAKURAI M, et al. Development of calcium phosphate cement[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2006, 26:549-552.

[5] 王志強(qiáng),胡繼林,劉曉蕾,等. 硅酸鈣-磷酸鹽復(fù)合骨水泥的制備及其性能研究[J]. 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志, 2006, 23(1):121-124.

[6] 孫康寧,趙萍,任學(xué)華. 磷酸鈣骨水泥中羥基磷灰石在碳納米管上點(diǎn)吸附生長(zhǎng)[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào), 2006, 34(4):507-510.

[7] SIRIPHANNON P, HAYASHI S, YASUMORI A, et al. Preparation and sintering of CaSiO3from co-precipitated powder using NaOH as precipitant and its apatite formation in simulated body fluid solution[J]. Journal of Materials Research, l999, 14:529-536.

[8] 王志強(qiáng),馬鐵成,韓趁濤,等. 濕法合成納米羥基磷灰石粉末的研究[J]. 無(wú)機(jī)鹽工業(yè), 2001, 33(1):3-5.

[9] 李諾,王志強(qiáng),張成亮,等. 熔融晶化法制備硅灰石及其粉碎工藝的研究[J]. 大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 27(2):129-132.

(LI Nuo, WANG Zhi-qiang, ZHANG Cheng-liang, et al. Preparation of wollastonite by melting-crystallization method and study on its smashing technology[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2008, 27(2):129-132.)

[10] HSU H, CHIU C, TUAN W, et al. Structural stability of calcium phosphate cement during aging in water[J]. Materials Science and Engineering:C, 2008, 28(3):429-433.