磷酸鈣骨水泥制備方法的改進及其性能研究

張慧勇

(洛陽理工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

硬組織修復(fù)與重建材料是生物醫(yī)學(xué)材料研究的重要領(lǐng)域，人體骨缺損的修復(fù)能力也隨著其材料性能的日臻完善而不斷改進。在骨修復(fù)材料中，具有生物相容性且能夠在體液條件下快速自固化的骨水泥成為近年來生物醫(yī)學(xué)工程研究的重要內(nèi)容[1-5]。

聚合物骨水泥(聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)是最早作為一種將假體固定到骨上的黏接劑首次應(yīng)用于矯形外科，其在骨缺損、骨折及人工關(guān)節(jié)的黏結(jié)固定、齒科修復(fù)等方面得到了廣泛應(yīng)用[6]。但聚合物骨水泥聚合過程中釋放的熱量會殺死周圍細胞，引起周圍組織的壞死，而凝固過程的收縮會在水泥和骨之間形成空隙，不能牢固結(jié)合，同時殘留聚合物單體的細胞毒性等缺點促使人們研究新型的無機材料骨水泥取代聚合物。

磷酸鈣骨水泥(calcium phosphate cement,CPC)是一種新型的骨修復(fù)材料，是20世紀80年代中期由Brown和Chow研制出來的一種新型自固化型人工骨替代材料[7]。與傳統(tǒng)的陶瓷型羥基磷灰石[Ca5(PO4)3OH，hydroxyapatite,HA ]相比，具有制備簡便(不需要燒結(jié))，任意塑形和緩慢降解等優(yōu)點，與普通骨水泥相比，生物相容性好，在固化結(jié)晶過程中不產(chǎn)熱，這些特點使其適應(yīng)臨床修復(fù)骨缺損的需要。此外CPC在牙科、整形外科和腦外科方面也有廣泛的應(yīng)用，目前CPC已成為生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的重點和熱點之一。研究表明，CPC具有良好的生物相容性、骨傳導(dǎo)性、可降解性及可塑性等優(yōu)點，臨床上可用于低負重部位骨缺損的修復(fù)、藥物緩釋載體、加固松質(zhì)骨螺釘?shù)萚8]。同時，CPC具有良好的自固化能力，易于塑形，與成骨活性相協(xié)調(diào)的降解活性等優(yōu)越的性能[1,9-12]。

課題研究目的是用廉價的原料、簡單的方法制備出CPC，并對其性能進行研究，期待其能應(yīng)用于骨缺損修復(fù)。采用2種方法探索了CPC固體粉末的制備，即沉淀法和固相反應(yīng)法，并合成了CPC；對CPC的固化時間、抗壓強度、產(chǎn)物物相組成等進行了分析。探索了骨水泥的制備工藝及鈣磷比，固化液、模擬體液浸泡對骨水泥性能的影響，旨在為骨水泥的應(yīng)用研究和開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)和方法。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

NaH2PO4、CaCl2：分析純，天津市科盟化工工貿(mào)有限公司；氨水：分析純，質(zhì)量分數(shù)25%～28%，洛陽市化學(xué)試劑廠；檸檬酸、檸檬酸鈉：分析純，天津市德恩化學(xué)試劑有限公司；H3PO4：分析純，質(zhì)量分數(shù)85%，天津市大茂化學(xué)試劑廠；CaHPO4·2H2O：分析純，天津市光復(fù)精細化工研究所；CaCO3：分析純，洛陽昊華試劑有限公司；無水乙醇：分析純，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司。配制模擬體液的藥品均為市售分析純。

分析天平：AB204-S，常熟市佳衡天平儀器有限公司；磁力加熱攪拌器：CJJ78-1，金壇市大地自動化儀器廠；循環(huán)水式真空泵：SHB-(Ⅲ)，河南省予華儀器有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱：CS101-2EB，湖南華德電子有限公司；箱式電阻爐：SX-12-10M，上海實驗電爐廠；水泥恒溫恒濕標準養(yǎng)護箱：HBY-40B，蘇州吳縣市東吳試驗儀器廠；壓力試驗機：JES-2000A，無錫市錫東建材設(shè)備廠；X射線衍射儀：D8-FOCUS，德國布魯克公司；高級倒置金相顯微鏡：GX71，日本OLYMPUS公司。

1.2 實驗方法及步驟

沉淀法：磷酸二氫鈉溶液在過量氨存在下與適量氯化鈣飽和溶液進行反應(yīng)，沉淀出主要產(chǎn)品為不溶性的磷酸鈣[又名磷酸三鈣、TCP、Ca3(PO4)2]，經(jīng)過濾、洗滌、干燥，然后分別在800、900 ℃煅燒2 h，快速取出，并且急冷，所得粉末在研缽中研磨成細粉，即得CPC粉體，煅燒得粉體樣品。取少量粉體樣品分別與稀磷酸、檸檬酸、檸檬酸鈉3種具有一定濃度的調(diào)和液混合，使m(固)∶m(液)=1∶0.35，觀察漿體變化，并進行酸堿度、凝結(jié)時間、力學(xué)強度的測試，從而確定最佳調(diào)和液。將制得的粉末與最佳調(diào)和液在研缽中調(diào)和均勻，形成的膏狀體填入20 mm×20 mm×40 mm的不銹鋼模具中，振實抹平，再放入37 ℃、100%濕度的恒溫箱中養(yǎng)護固化。

固相反應(yīng)法：將CaCO3和無水磷酸氫鈣(CaHPO4，DCPA)粉末按n(Ca)∶n(P)=2∶1的比例混合得到混合粉,采用無水乙醇為研磨介質(zhì)，在研缽中研磨4～5 h，研磨后混合料放在干燥箱中于80 ℃下干燥，然后將干燥好的混合粉料放入氧化鋁坩堝內(nèi)在高溫電阻爐中煅燒，0～900 ℃升溫90 min，900～1 500 ℃升溫100 min，保溫6 h，即煅燒溫度為1 500 ℃，然后隨爐冷卻至室溫后取出，最終得磷酸四鈣(TTCP)。將n(TTCP)∶n(DPCA)=1∶1混合并采用無水乙醇研磨4 h，干燥，得CPC固體粉末；將制得的CPC粉末與調(diào)和液(0.125 mol/L的NaH2PO4溶液)在研缽中調(diào)和均勻，m(固)∶m(液)=1∶0.45，采用同樣的方法養(yǎng)護固化。

1.3 pH值與凝結(jié)時間的測定

用玻璃棒蘸取少量漿體涂在pH試紙上，與標準比色卡對照測量漿體的pH值，凝固時間的測定采用標準水泥稠度凝結(jié)測定儀測定。

1.4 抗壓強度的測定

將制得的20 mm×20 mm×40 mm模具試樣用JES-2000A型壓力試驗機測其抗壓強度；抗壓強度Rc用下式計算：Rc=Fc/A。式中Fc為最大載荷；A為樣品抗壓面積。在測試過程中，負荷加載速度要盡量小。

1.5 X射線衍射分析

X射線衍射(XRD)參數(shù)：步長0.02°，電壓40 kV，電流30 mA。實驗中主要用X射線衍射來定性分析物相。

1.6 金相分析

選擇固化好的條形試樣較光滑的一面，先在砂紙上進行粗磨，然后將氧化鉻用無水乙醇調(diào)成糊狀，鋪在的確良布上進行細磨，直到打磨的像鏡面一樣，再在無水乙醇中清洗干凈，方可進行檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD衍射分析

沉淀法制備的樣品經(jīng)不同溫度煅燒后得到的2種樣品的XRD譜圖見圖1、圖2。

2θ/(°)圖1 800 ℃煅燒條件下制備的粉體的XRD圖譜

將沉淀法制備的樣品的衍射圖譜參照標準卡片，比對各衍射峰2θ角和相對峰強度，可知在800 ℃煅燒的樣品，大部分衍射峰與TCP的特征峰重合，少部分衍射峰與焦磷酸鈣(CPP)特征峰重合。結(jié)果說明800 ℃制備出的粉體是混合相，TCP是主相，還有少量的CPP。900 ℃煅燒的樣品，其衍射峰與CPP的特征峰基本重合，說明生成物是CPP，即在900 ℃煅燒是可以得到良好的CPP粉體。

2θ/(°)圖2 900 ℃煅燒條件下制備的粉體的XRD圖譜

固相反應(yīng)法所得樣品經(jīng)1 500 ℃煅燒后所得樣品的XRD圖譜見圖3。

2θ/(°)圖3 1 500 ℃煅燒的TTCP樣品的XRD圖譜

2.2 凝結(jié)時間、抗壓強度分析

2.2.1 沉淀法

在調(diào)和液的對比實驗中，當(dāng)加入稀磷酸溶液時，骨水泥粉體立即干硬成團，塑性差；而加入檸檬酸鈉溶液與加去離子水得到的試樣，在力學(xué)性能方面都較差；將質(zhì)量分數(shù)20%檸檬酸溶液加入到粉體中，未出現(xiàn)明顯的放熱現(xiàn)象，pH值接近中性，而且得到的漿體具有較強的膠黏性，這與骨水泥的塑性水化漿體特性有所不同。將這種黏性漿體放置于恒溫恒濕養(yǎng)護箱中，約20 min后開始出現(xiàn)凝固特性，經(jīng)過50 min后漿體完全凝固硬化并具有一定的強度，這說明以檸檬酸為調(diào)和液，制備出的粉體表現(xiàn)出與骨水泥類似的自行固化硬化性能，可確定檸檬酸為最佳調(diào)和液。檸檬酸是一種有機酸，有3個H+可以電離，與磷酸三鈣骨水泥調(diào)和后，粉劑中的部分鈣離子可與羥基發(fā)生絡(luò)合交聯(lián)，生成檸檬酸鈣絡(luò)合物，使?jié){體具有膠黏性，獲得基本強度，從而使磷酸三鈣骨水泥產(chǎn)生凝固硬化性能，具備骨水泥的特性。

在實驗中800 ℃煅燒得到的固體粉末加入檸檬酸緩沖液后凝結(jié)時間比900 ℃煅燒的稍長，抗壓強度也稍微較低，其凝結(jié)時間和抗壓強度見表1。

表1 沉淀法制備的CPC固化體的凝結(jié)時間與抗壓強度

由表1可知，CPC的固化體凝結(jié)時間稍長，抗壓強度略低，這與CPC的固相組成有關(guān)，也可能是因為實驗過程中，粉料混合不均勻，研磨細度不夠，固化體制備時模具未搗實，氣孔率大等原因造成的。

2.2.2 固相法

由于固相法需要在高溫下進行，選擇煅燒溫度為1 500 ℃，其凝結(jié)時間和抗壓強度見表2。

表2 固相法制備的CPC固化體的凝結(jié)時間與抗壓強度

2.3 金相分析

將900 ℃煅燒的骨水泥固化、拋光后進行金相分析，見圖4。

圖4 沉淀法制備的CPC 900 ℃煅燒后固化體的金相圖

從圖4中可看到大小不一的暗斑，可能是材料中的微孔結(jié)構(gòu)。這種微孔的存在有利于液相的滲入，使水化反應(yīng)充分進行；若將這種CPC材料作為藥物載體使用，這種微孔結(jié)構(gòu)還可為所承載藥物的釋放提供良好的通道，這也是CPC可作為藥物載體的原因之一。

2.4 模擬體液條件下研究CPC固化體性能

2.4.1 模擬體液的配制

向200 mL超純水中依次加入所需藥品，藥品加入順序為NaCl、NaHCO3、KCl、KH2PO4、MgCl2·6H2O、HCl、CaCl2、Na2SO4，然后再用超純水稀釋至500 mL，調(diào)節(jié)pH≈7.3，即可制得模擬體液(SBF)，組成見表3。

表3 模擬體液的組成1) m/g

1)V(SBF)=500 mL。

2.4.2 性能分析

把沉淀法制備的固化體浸泡在模擬體液中，并置于37 ℃、100%濕度的恒溫箱中養(yǎng)護，模擬液每3 d更換1次，取浸泡1、3、5 d的試樣測試其抗壓強度，加載速度為0.125 kN/s，其抗壓強度見表4。

表4 固化體浸泡后的抗壓強度

由表4可知，固化體在模擬液中1～5 d內(nèi)浸泡時間越長，強度會變大，因為其水化產(chǎn)物為HA，它是人體骨骼組織主要成分，具有優(yōu)良的力學(xué)性能及生物活性；隨著浸泡時間的延長，固化體水化程度加大，水化產(chǎn)物致密度變大，所以抗壓強度增大。

把固相法制備的固化體浸泡在模擬體液中，并置于37 ℃、100%濕度的恒溫箱中養(yǎng)護，模擬液每3 d更換1次，取浸泡1、3、5 d的試樣測試其pH值、抗壓強度，加載速度為0.125 kN/s，其抗壓強度見表5。

表5 TTCP/DCPA固化體浸泡后的抗壓強度

3 結(jié) 論

(1) 利用沉淀法制備的磷酸鈣骨水泥，晶相組成為TCP、CPP，雖具備了自行固化硬化性能，但其力學(xué)強度不高，結(jié)構(gòu)中存在孔洞和微裂紋，這種微孔結(jié)構(gòu)可為所承載藥物的釋放提供良好的通道，骨水泥的強度取決于顆粒間的結(jié)合強度和孔隙特征，材料的裂紋會降低骨水泥強度。浸泡在模擬體液中的試樣強度隨著時間的延長變高；

(2) 采用高溫固相法1 500 ℃高溫下煅燒合成了TTCP。由于固相物質(zhì)間發(fā)生反應(yīng)進行得非常緩慢，固-固法合成TTCP反應(yīng)時間長且產(chǎn)物純度較差，結(jié)晶度不高，還含有部分CaO，其強度也略低。

綜上2種實驗方法，采用沉淀法并在900 ℃煅燒制備的磷酸鈣骨水泥性能優(yōu)于高溫固相法制備的骨水泥。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] Chen J C,Ko C L,Shih C J,et al.Calcium phosphate bone cement with 10 wt% platelet-rich plasma in vitro[J].Journal of Dentistry,2012,40(2):114-122.

[2] Ginebra M P,Traykova T,Planell J A.Calcium phosphate cements as bone drug delivery systems:a review[J].Journal of Controlled Release,2006,113(2):102-110.

[3] Lopez-Heredia M A,Kamphuis G J B,Thüne P C.An injectable calcium phosphate cement for the local delivery of paclitaxel to bone[J].Biomaterials,2011,32(23):5411-5416.

[4] Wei J,Wang J C,Liu X C,et al.Preparation of fluoride substituted apatite cements as the building blocks for tooth enamel restoration[J].Applied Surface Science,2011,257(17):7887-7892.

[5] 宋炎成,裴福,萬昌秀.磷酸鈣骨水泥：骨骼系統(tǒng)理想的藥物載體[J].中國臨床康復(fù),2006,10(41):117-120.

[6] 滕海軍,周越.注射型磷酸鈣骨水泥和PMMA在椎體成形術(shù)中的生物力學(xué)性能[J].中國矯形外科雜志,2004,12(1/2):70-71.

[7] Brown W E,Chow L C.Setting reactions and compressive strengths of calcium phosphate cements[J].Journal of dental research,1990,69(12):1852-1856.

[8] Dorozhkin S V,Epple M.Biological and medical significance of calcium phosphates[J].Angew Chem Int Edit,2002,41(1):3130-3146.

[9] Buerkle V,Kuehnisch J,Guelmann M,et al.Restoration materials for primary molars results from a European survey[J].Journal of Dentistry,2005,33(4):275-281.

[10] Chaipanich A,Torkittikul P.Microstructure:surface and cross-sectional studies of hydroxyapatite formation on the surface of white Portland cement paste in vitro[J].Applied Surface Science,2011,257(20):8385-8390.

[11] Dai L,Qi Y P,Niu L N,et al.Inorganic-organic nanocomposite assembly using collagen as a template and sodium tripolyphosphate as a biomimetic analog of matrix phosphoprotein[J].Crystal Growth & Design,2011,11(8):3504-3511.

[12] Ding S J,Wei C K,Lai M H.Bio-inspired calcium silicate-gelatin bone grafts for load-bearing applications[J].Journal of Materials Chemistry,2011,21(34):12793-12802.