表面修飾HA/PMMA 復(fù)合骨水泥的制備及力學(xué)性能研究

謝勝芬 劉珍珍 肖燕萍 劉惠 陳能 廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗所三水中心 （佛山 528137）

骨水泥是一類重要的骨修復(fù)材料，常用于修復(fù)各種由骨質(zhì)疏松引發(fā)的骨缺損。骨水泥通常由固、液兩部分組成，在室溫下混合后可任意塑型，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)或物理作用，迅速固化，且固化后具有一定的力學(xué)強度。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）類骨水泥是一類得到臨床應(yīng)用的骨水泥，具有良好的理化和力學(xué)性能，可塑性強等優(yōu)點，但是也存在放熱過高、生物活性差等缺陷[1]。為改善PMMA 骨水泥材料的生物活性，可在PMMA 骨水泥中摻入一定比例的納米羥基磷灰石（HA）[2]。HA 具有良好的生物相容性、骨傳導(dǎo)作用和骨誘導(dǎo)性[3]，能與骨骼很好的結(jié)合，亦可有效地促進骨骼的生長[4,5]。另外，HA 具有較高的抗壓能力，可作為骨科材料的增強體[6]。但由于HA 比表面積大、表面活性高，容易發(fā)生團聚[7]，可通過偶聯(lián)劑表面修飾，改善HA 在基體中的分散性和穩(wěn)定性，提高HA 與PMMA 基體之間的相容性，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加均勻，從而制備出生物性能和力學(xué)性能優(yōu)異的復(fù)合型骨水泥。本文將經(jīng)過無規(guī)聚合物P(MMA-co-MPS)（MPS 為硅烷偶聯(lián)劑）修飾的HA、摻入到PMMA 中形成HA/PMMA 復(fù)合骨水泥，研究了復(fù)合骨水泥的壓縮強度、彎曲強度、彎曲模量等力學(xué)性能，利用MTT實驗測試了HA/PMMA 復(fù)合骨水泥細胞毒性。

1.原料與試劑

甲基丙烯酸甲酯（MMA，AR）購于天津大茂化學(xué)試劑廠；過氧化苯甲酰（BPO，AR）購于上海國藥試劑廠；硅烷偶聯(lián)劑(MPS，AR)購于南京道寧化工有限公司；N,N- 二甲基對甲苯胺(DMT，AR) 由上海阿拉丁試劑公司提供；DMEM 購于Hyclone；人成骨細胞（hFOB1.19）購于中科院細胞庫；聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），由中山大學(xué)提供，其重均分子量Mw=5.6×105g/mol；經(jīng)P(MMA-co-MPS)表面修飾的羥基磷灰石(P(MMA-co-MPS)-HA)由中山大學(xué)提供，P(MMA-co-MPS)的質(zhì)量分數(shù)分別為0%、16.8%和64.7%，分別記為HA-0、HA-1 和HA-2，P(MMA-co-MPS)的重均分子量Mw=3.2×104g/mol。其他試劑均為市售分析純。

2.實驗方法

2.1 復(fù)合骨水泥的配制

骨水泥分為固體組分和液體組分，固相組分中包含HA-n、PMMA 和BPO；液相組分中包含MMA 和DMT。在23?C 下，將骨水泥的固體組分和液體組分按照一定的比例混合后攪拌均勻，灌入模具進行固化，制成HA-n 的質(zhì)量分數(shù)為0%、5%、10%和15%的骨水泥樣品。將完全固化后的樣品取出，再打磨成規(guī)定的尺寸。各組分混合的具體含量見表1。不同修飾程度的HA 與PMMA 復(fù)合形成的骨水泥記為HA-n/PMMA(n=0、1、2)，其 中HA-0/PMMA 為 未 經(jīng)P(MMA-co-MPS)修飾的HA 與PMMA 復(fù)合形成的骨水泥。

2.2 骨水泥的力學(xué)性能表征

骨水泥的力學(xué)性能測試參照國際標準ISO 5833 進行，其具體方法如下：

（1）壓縮性能。骨水泥樣品制成長為12mm，直徑為6mm 的圓柱體，利用萬能材料試驗機進行測試，加載速率為5mm/min，記錄樣品形變?yōu)?%時的負載，將其除以橫截面積，即可求得骨水泥樣品的壓縮強度。

（2）彎曲性能。將骨水泥樣品制成長75mm，寬10mm，厚3.3mm 的樣條，并在37±1?C 水浴中浸泡48h 以上，再進行三點彎曲實驗；測試時跨距l(xiāng)=60mm，拉力機加載速率為5mm/min，記錄斷裂時的力及其位移曲線圖，計算可求得彎曲模量及其彎曲強度，并求其平均值。

彎曲強度按公式σF(MPa)計算，彎曲模量按公式EF(MPa)計算：

式中：F—斷裂時的力，單位N，l—試件的跨度，單位mm。

h—試件的厚度，單位mm，b—試件的寬度，單位mm。

ΔF—載荷值增量，單位N，Δf—中點撓度與ΔF 值所對應(yīng)的增量，單位mm。

2.3 細胞毒性實驗表征

利用MTT 實驗來對復(fù)合型骨水泥的細胞毒

表1 合成復(fù)合骨水泥的各組分配比

在48 孔板中接種人成骨細胞（hFOB1.19），每孔5 萬個細胞，加入200μL 的培養(yǎng)。

基孵育24 小時后，吸出100μL 培養(yǎng)基，每孔加入100μL 制備的骨水泥浸提液，對照組加入100μL 新鮮培養(yǎng)基，分別培養(yǎng)24 小時和48 小時后，吸出培養(yǎng)基，加入20μL MTT 和180μL 新鮮培養(yǎng)基，37?C 下孵育4 小時后，加入200μL DMSO 孵育10min 后，取出150μL 于96 孔板中，利用紫外分光光度計測定在波長570nm 溶液的吸光度值[8]。

3.結(jié)果與討論

3.1 骨水泥力學(xué)性能

圖1. 復(fù)合骨水泥的壓縮強度

圖2. 復(fù)合骨水泥的彎曲強度

復(fù)合骨水泥的壓縮強度測量結(jié)果見圖1。從圖1 中可見，在PMMA 中加入HA-n，形成復(fù)合骨水泥后，骨水泥的壓縮強度明顯得到提高。對于未經(jīng)聚合物修飾的HA-0/PMMA 復(fù)合骨水泥，其壓縮強度在測試范圍內(nèi)隨著HA-0 含量的增加而增加；而經(jīng)聚合物修飾的HA-1/PMMA 和HA-2/PMMA 其壓縮強度先隨HA-n 含量的增加而增加，后在15%的濃度下有所下降。由以上結(jié)果說明了HA 作為PMMA 基體材料的增強體，有效地提升了PMMA 骨水泥的壓縮強度，這是因為HA 本身就具有較好的抗壓能力，摻入HA 后，在一定程度上增強了PMMA 骨水泥的壓縮強度。在低于10wt%含量時，復(fù)合型骨水泥的壓縮強度隨著表面修飾程度的增加而增加，表明HA 經(jīng)過聚合物P(MMA-co-MPS)表面修飾后，改善了HA 在PMMA 基體中的分散性，形成更加均一的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而增強了HA/PMMA 的壓縮強度[9]。而在高于10wt%含量時，復(fù)合型骨水泥的壓縮強度是隨著表面修飾程度升高而降低的，此處可能是由于HA 表面接枝聚合物分子量為與基體聚合物的分子量相比是較小的，隨著HA-n 含量的增加，小分子的聚合物所占的比例就越高，使固化后骨水泥的整體分子量下降，從而導(dǎo)致壓縮強度的有所降低。

復(fù)合骨水泥的彎曲強度測量結(jié)果見圖2。由圖可見，HA-n/PMMA 復(fù)合型骨水泥的彎曲強度隨著HA 的含量增加而降低。而其中HA-2/PMMA復(fù)合骨水泥的彎曲強度在測量范圍內(nèi)均高于國際標準50MPa。而在相同的HA-n 含量下，具有較高修飾程度的HA-2/PMMA 的彎曲強度均比未經(jīng)修飾的HA-0/PMMA 的有所提升，表明經(jīng)過較高程度表面修飾后的HA，能有效改善了HA 在基體材料的相容性，加強了HA 和PMMA 基體界面之間的作用力，提升復(fù)合骨水泥的彎曲強度[12]。

復(fù)合骨水泥的彎曲模量測量結(jié)果見圖3，從圖中可以看到，復(fù)合骨水泥的彎曲模量隨HA-n含量的改變無較大的變化，其中HA-2/PMMA 復(fù)合骨水泥的彎曲模量均高于國際標準的1.8 GPa。

綜合壓縮強度、彎曲強度、彎曲模量及國 際 標 準ISO 5833 可 知，HA-2 在10wt% 含量時，HA-2/PMMA 復(fù)合型骨水泥的力學(xué)性能最優(yōu)。其壓縮強度、彎曲強度、彎曲模量可 分 別 達 到76.21±0.73MPa、56.8±1.07MPa、2.02±0.045GPa，均已達到國際標準ISO 5833(壓縮強度≥70MPa、彎曲強度≥50MPa、彎曲模量≥1.8GPa)。

3.2 骨水泥細胞毒性實驗的結(jié)果與討論

從圖4 中可知，人成骨細胞（hFOB1.19）在HA-2/PMMA 復(fù)合型骨水泥中的細胞存活率均高于85%，各組之間沒有顯著的統(tǒng)計學(xué)差異。且隨HA-2 含量的增加而有增加的趨勢，說明HA-n/PMMA 復(fù)合骨水泥材料并沒有抑制hFOB1.19 的生長。細胞毒性結(jié)果說明，HA-n/PMMA 復(fù)合骨水泥材料基本無毒性。

圖3. 復(fù)合骨水泥的彎曲模量

圖4 . H-HA/PMMA 復(fù)合型骨水泥的細胞存活率

4.結(jié)論

將經(jīng)聚合物P(MMA-co-MPS)修飾的HA 與PMMA 混合成功地制備復(fù)合型骨水泥，HA-n/PMMA 復(fù)合型骨水泥壓縮強度、彎曲模量在一定范圍內(nèi)隨著HA 含量的增加而增加，HA 作為骨水泥的增強體，提升了PMMA 骨水泥的壓縮強度及彎曲模量。經(jīng)P(MMA-co-MPS)表面修飾后，HA 在PMMA 基體材料中的分散性和相容性得到有效的提高，使材料的力學(xué)性能得到了改善。通過MTT 實驗檢測了HA-2/PMMA 復(fù)合型骨水泥的細胞毒性，表明材料對細胞無毒性。本文中制備的HA/PMMA 復(fù)合型骨水泥的力學(xué)性能基本已達到國際標準，為今后臨床應(yīng)用奠定了力學(xué)研究基礎(chǔ)，具有深遠而重大的意義。

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