Ca／Mg／PO4骨修復(fù)材料的制備及降解性能的研究

（華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料成型與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074）

β－Ca3（PO4）2（β－TCP）作為骨修復(fù)材料具有良好的生物相容性［1］、生物降解性［2］和誘導(dǎo)成骨性［3－4］，是目前最具前景的陶瓷生物材料之一。近年來(lái)，許多學(xué)者通過(guò)將微量的Mg2＋、Si4＋、Zn2＋、F－、Cl－、CO2－3等與β－TCP摻雜，使其微觀結(jié)構(gòu)更接近自然骨，且具備不同的形貌［5］，以此來(lái)調(diào)控其生物性能。目前，Mg的摻雜大多數(shù)是將MgO 通過(guò)澆鑄［6］、共混煅燒等方法與β－TCP 摻雜，作者在此則采用共沉淀法［7］，以MgCl2為鎂源、CaCl2為鈣源、（NH4）2HPO4為磷源，將MgCl2、CaCl2的混合液滴入（NH4）2HPO4水溶液中制備不同Mg含量的Ca／Mg／PO4骨修復(fù)材料，通過(guò)研究其在模擬體液中浸泡一段時(shí)間后的物相、表面形貌、質(zhì)量等的變化，較為系統(tǒng)地研究了Mg含量對(duì)Ca／Mg／PO4骨修復(fù)材料生物降解性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

無(wú)水氯化鈣、六水氯化鎂、磷酸氫二銨、濃氨水等均為分析純；模擬體液（SBF），自制。

精密pH 計(jì)，分析天平，恒溫振蕩器，干壓機(jī)，燒結(jié)爐，X－射線衍射儀，Quanta 200型掃描電子顯微鏡。

1.2 Ca／Mg／PO4 骨修復(fù)材料的制備

表1 原材料及用量／g（mol）Tab.1 Raw materials and their qualities／g（mol）

按表1精確稱取各原材料，先將CaCl2和MgCl2·6H2O 溶于200mL去離子水，用濃氨水調(diào)節(jié)其初始pH 值為9.5，同時(shí)將磷酸氫二銨溶于200mL 去離子水；再將CaCl2和MgCl2·6H2O 的混合液移入500 mL分液漏斗中，以2mL·min－1的速度緩慢滴入磷酸氫二銨水溶液中（滴加過(guò)程中，不斷滴加濃氨水，保持pH 值為9.5）。滴加完后加入微量聚丙烯酸陳化24h；洗滌，抽濾，80 ℃干燥，得到不同Mg 含量的Ca／Mg／PO4骨修復(fù)材料，即產(chǎn)物A、B、C、D。

將產(chǎn)物A、B、C、D 于800 ℃煅燒后，分別稱取1.000g各5份，用干壓機(jī)壓制成直徑為20mm 的薄片，于燒結(jié)爐中800 ℃保溫3h，備用。

1.3 Ca／Mg／PO4 骨修復(fù)材料的降解性能

通過(guò)體外模擬實(shí)驗(yàn)研究產(chǎn)物A、B、C、D 的降解性能：將產(chǎn)物A、B、C、D 分別浸入裝有40mL 模擬體液的錐形瓶中，37 ℃、70r·min－1振蕩。每隔3d更換模擬體液，并測(cè)定其pH 值。每隔一定時(shí)間取出產(chǎn)物，洗凈，烘干，稱重，測(cè)定模擬體液中Ca2＋濃度、產(chǎn)物的質(zhì)量，并進(jìn)行SEM 和XRD 測(cè)試，分析產(chǎn)物降解前后的物相及表面形貌的變化，考察Mg含量對(duì)產(chǎn)物降解性能的影響。

1.4 分析測(cè)試

1.4.1 X－射線衍射（XRD）分析

用X－射線衍射儀研究Mg含量對(duì)煅燒后產(chǎn)物物相的影響。采用經(jīng)鎳箔過(guò)濾的Cuκα輻射，管電壓為40kV，管電流為40mA，掃描速率為4°·min－1，步長(zhǎng)為0.02°，掃描范圍為10°～60°。

1.4.2 模擬體液pH 變化值的測(cè)定

為了解產(chǎn)物A、B、C、D 在降解過(guò)程中環(huán)境的變化，采用精密pH 計(jì)測(cè)定模擬體液的pH 值：將一定量產(chǎn)物各5份浸泡在模擬體液中，于37 ℃、70r·min－1振蕩。每隔一定時(shí)間取出樣品，測(cè)定pH 值，取3組比較接近的pH 值的平均值，記為pH1。將未浸泡產(chǎn)物的模擬體液于相同條件下放置3d，測(cè)定pH 值，記為pH2。按式（1）計(jì)算模擬體液pH 變化值（ΔpH）：

1.4.3 模擬體液中Ca2＋濃度的測(cè)定

參照國(guó)標(biāo)GB7476－87 測(cè)定模擬體液中Ca2＋濃度：取5mL浸泡產(chǎn)物后的模擬體液稀釋至50mL，取10mL稀釋液加0.2mL 4mol·L－1的NaOH 溶液和0.1g鈣羧酸指示劑，用2mmol·L－1的EDTA 二鈉標(biāo)定，當(dāng)模擬體液顏色從紫紅色變?yōu)榱了{(lán)色即為終點(diǎn)。按式（2）計(jì)算Ca2＋濃度：

式中：c為Ca2＋濃度，mmol·L－1；ce為EDTA 二鈉的濃度，mmol·L－1；Ve為EDTA 二鈉的體積，mL；V為Ca2＋的體積，mL。

1.4.4 掃描電鏡（SEM）分析

為考察降解前后Mg含量對(duì)產(chǎn)物形貌的影響，對(duì)產(chǎn)物表面進(jìn)行掃描電鏡測(cè)試。電子加速電壓為5kV。測(cè)試前對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行表面噴金處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD 分析

圖1為4種產(chǎn)物在800℃下燒結(jié)后的XRD 圖譜。

圖1 4種產(chǎn)物在800 ℃下燒結(jié)后的XRD圖譜Fig.1 XRD Patterns of four kinds of products sintering at 800 ℃

由圖1 可知，4 種產(chǎn)物的主要物相均為β－Ca3（PO4）2，且隨著 Mg 含量的增加，第二相Ca4Mg5（PO4）6的特征峰不斷增強(qiáng)。

2.2 模擬體液pH 值的變化

將4種產(chǎn)物浸泡在模擬體液中，模擬體液pH 變化值隨浸泡時(shí)間的變化曲線如圖2所示。

圖2 模擬體液pH 變化值隨浸泡時(shí)間的變化Fig.2 Changes ofΔpH of SBF with immersion time

由圖2可看出：Mg含量越少，模擬體液的pH 值變化越大；浸泡第1～6d，pH 值的變化較??；第7～12d，模擬體液中產(chǎn)生大量的酸性物質(zhì)，pH 值快速減?。坏?2d開(kāi)始，pH 值均有增大的趨勢(shì)；21d后趨于穩(wěn)定，且pH 值的穩(wěn)定值隨Mg 含量的增加而增大。這是因?yàn)椋a(chǎn)物浸泡在模擬體液中發(fā)生了如下反應(yīng)：

Ca／Mg／PO4骨修復(fù)材料在模擬體液中快速溶出Ca2＋、Mg2＋和，因羥基磷灰石（HA）的溶解度低于β－TCP，當(dāng)溶液中的HA 達(dá)到臨界溶解度時(shí)，Ca2＋和與OH－等陰離子結(jié)合，在Ca／Mg／PO4骨修復(fù)材料表面析出HA［8］，帶走了模擬體液中的部分OH－，使得H＋濃度升高，溶液pH 值減小。析出的HA 附著在Ca／Mg／PO4骨修復(fù)材料表面，會(huì)阻礙Ca／Mg／PO4骨修復(fù)材料的繼續(xù)降解，因此浸泡21d后，Ca／Mg／PO4骨修復(fù)材料降解速度減慢，每次更換模擬體液后，其pH 值略微增大并逐漸趨于穩(wěn)定。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一結(jié)果，研究了Ca／Mg／PO4骨修復(fù)材料浸泡不同時(shí)間后，模擬體液中Ca2＋濃度的變化以及Ca／Mg／PO4骨修復(fù)材料浸泡后的物相及表面形貌的變化。

2.3 模擬體液中Ca2＋濃度的變化（圖3）

圖3 模擬體液中Ca2＋濃度隨浸泡時(shí)間的變化Fig.3 Changes of Ca2＋concentration of SBF with immersion time

由圖3可看出，產(chǎn)物A 浸泡在模擬體液中后，模擬體液中Ca2＋濃度緩慢下降；產(chǎn)物B、C、D 浸泡在模擬體液中后，第1～3d，模擬體液中Ca2＋濃度迅速下降，第6d后，Ca2＋濃度趨于穩(wěn)定，且隨著Mg含量的增加，Ca2＋濃度不斷降低。這一結(jié)果再次證實(shí)了模擬體液pH 值的減小是由于生成了 HA，因?yàn)镃a／Mg／PO4骨修復(fù)材料的Ca／P 接近1.5，而HA 的Ca／P大于1.5，多出的Ca2＋必然來(lái)源于模擬體液中，因此模擬體液的Ca2＋濃度會(huì)減小，HA 生成量相應(yīng)減少，模擬體液中的H＋濃度相應(yīng)降低，pH 值減小。

由于Mg含量越多，模擬體液的堿性越強(qiáng)，pH 值越大，而β－TCP 的溶解度與pH 值有著密切的關(guān)系，pH 值增大，β－TCP的溶解度則降低，因此，Mg含量的增加會(huì)降低β－TCP的溶解度［9］，材料較難溶出Ca2＋，模擬體液中的Ca2＋濃度會(huì)迅速減小。另一方面，由于Mg含量多的Ca／Mg／PO4骨修復(fù)材料晶粒結(jié)合緊密，晶粒尺寸較大，也會(huì)導(dǎo)致材料較難溶出Ca2＋，模擬體液中的Ca2＋濃度減小。

2.4 Ca／Mg／PO4 骨修復(fù)材料浸泡前后質(zhì)量的變化

表2為4種產(chǎn)物在模擬體液中浸泡第7～28d的質(zhì)量變化。

由表2可知：浸泡第7d，4種產(chǎn)物的質(zhì)量幾乎沒(méi)有變化；浸泡第28d，產(chǎn)物A、B、C質(zhì)量明顯減小，但質(zhì)量變化比較接近，可能是因?yàn)楫a(chǎn)物A、B、C表面形貌相似，顆粒尺寸較小，且分散均勻，較易溶出Ca2＋、；浸泡第28d，產(chǎn)物D 質(zhì)量變化不大，可能是因?yàn)楫a(chǎn)物D 晶粒較大，結(jié)構(gòu)密實(shí)，降解較慢。

表 2 4種產(chǎn)物在模擬體液中浸泡第7～28d的質(zhì)量變化／%Tab. 2 Quality changes of four kinds of products immersing 7～28din SBF／%

2.5 SEM 分析

圖4為4種產(chǎn)物浸泡前及在模擬體液中浸泡第7d、第28d的SEM 照片。

由圖4可以看出：（1）不含Mg的產(chǎn)物A 在浸泡前顆粒細(xì)小，分布均勻，浸泡第7d表面顆粒開(kāi)始變得疏松，晶粒與晶粒之間距離變大；隨著Mg含量的增加，產(chǎn)物B、C、D 的晶粒尺寸逐漸增大，Mg含量最高的產(chǎn)物D 發(fā)生明顯燒結(jié)現(xiàn)象。（2）浸泡第7d，4種產(chǎn)物表面局部出現(xiàn)約0.3μm 的均勻球形顆粒，其尺寸遠(yuǎn)小于基體材料，其中產(chǎn)物D 表面的顆粒最明顯。（3）浸泡第28d，4種產(chǎn)物表面發(fā)生了明顯變化，產(chǎn)物B、C表面局部出現(xiàn)多個(gè)直徑約5μm 的孔洞。

對(duì)產(chǎn)物D 的表面粉末進(jìn)行XRD 分析，結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5可以看出：浸泡第14d，產(chǎn)物D 的第二相Ca4Mg5（PO4）6幾乎消失，主要為β－TCP 相；浸泡第28d，產(chǎn)物D 表面出現(xiàn)HA 相，證明Ca／Mg／PO4骨修復(fù)材料浸泡后析出的小顆粒確實(shí)是文獻(xiàn)［8］所說(shuō)的HA。這表明，Ca／Mg／PO4骨修復(fù)材料在浸泡第28d發(fā)生明顯降解，且降解后有HA 析出。

3 結(jié)論

采用共沉淀法制備了具有不同 Mg 含量的Ca／Mg／PO4骨修復(fù)材料，該材料主要成分為β－Ca3（PO4）2（β－TCP），Mg 以第二相Ca4Mg5（PO4）6的形式存在于其中。將Ca／Mg／PO4骨修復(fù)材料浸入模擬體液中，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，模擬體液的pH值、Ca2＋濃度先快速下降后逐漸趨于穩(wěn)定，Ca／Mg／PO4骨修復(fù)材料質(zhì)量不斷減??；隨著Mg含量的增加，模擬體液的pH 值不斷增大，Ca2＋濃度和Ca／Mg／PO4骨修復(fù)材料質(zhì)量不斷減??；浸泡28d后，Ca／Mg／PO4骨修復(fù)材料表面析出類(lèi)似于羥基磷灰石的物質(zhì)。Ca／Mg／PO4骨修復(fù)材料的降解過(guò)程是離子溶出和HA 析出的雙重過(guò)程。

圖4 4種產(chǎn)物浸泡前后的SEM 照片F(xiàn)ig.4 SEM Images of four kinds of products before and after immersion

圖5 產(chǎn)物D浸泡前后的XRD圖譜Fig.5 XRD Patterns of product D before and after immersion

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