螯合型羥基磷灰石骨水泥的制備

祁　燕，汪　濤，楊　心，王陽陽

(南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京　211106)

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螯合型羥基磷灰石骨水泥的制備

祁燕，汪濤，楊心，王陽陽

(南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京211106)

以經(jīng)不同濃度植酸(IP6)溶液表面改性的羥基磷灰石(HA)粉體為固相，蒸餾水為固化液制備了基于螯合作用固化的羥基磷灰石骨水泥，研究了IP6濃度對骨水泥固化產(chǎn)物、抗壓強度及微觀形貌的影響，并初步分析了IP6與HA的螯合機理。結(jié)果表明：IP6濃度不影響骨水泥的固化產(chǎn)物，但對骨水泥的抗壓強度和微觀形貌有顯著影響。當(dāng)IP6濃度達到5000 ppm以上時，骨水泥抗壓強度可保持在30 MPa以上，并且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密。

螯合；植酸；羥基磷灰石；骨水泥

1　引　言

目前，第一代聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥和第二代磷酸鈣骨水泥(CPC)[1]作為骨修復(fù)材料已在臨床上被大量應(yīng)用。CPC克服了PMMA骨水泥生物相容性差、固化過程大量放熱、單體細胞毒性等問題，但由于CPC依靠酸堿反應(yīng)進行固化，因此會造成周圍體液pH值的改變，從而引起組織免疫反應(yīng)。另外，CPC的固化產(chǎn)物為HA[Ca5(PO4)3(OH)]，其具有良好的生物相容性與骨傳導(dǎo)性[2]，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3]。但由于HA不具備自固化能力，目前在CPC中還僅作為晶種用來促進固化過程。近幾年，利用螯合反應(yīng)固化的新一代骨水泥備受關(guān)注，但其強度較低且具體螯合機理尚未提出[4-6]。

植酸(IP6(分子式C6H18O24P6))是從植物種籽中提取的一種有機酸，其分子中有能同金屬配位的12個羥基和6個磷酸基團，這種獨特的分子結(jié)構(gòu)使其成為一種少見的金屬多齒螯合劑[7]，并且IP6在人體內(nèi)的水解產(chǎn)物為肌醇和磷脂，均為人體細胞的重要組成部分。

針對單相HA無法自固化及CPC固化時pH值改變等問題，本論文以單相HA為固相制備了基于IP6螯合作用固化的羥基磷灰石骨水泥，探究了IP6濃度對骨水泥固化產(chǎn)物、抗壓強度及微觀形貌的影響，并初步分析了IP6與HA的螯合機理。

2　實　驗

2.1骨水泥的制備

取一定量的IP6(70%，國藥集團)并加入適量的蒸餾水，配置濃度分別為0、1000、3000、5000、7000、10000 ppm的IP6溶液各50 mL，同時用0.5 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)其pH值7.3左右。 將10 g HA粉體(99%，西安瑞林有限公司)分別與50 mL不同濃度的IP6溶液置于球磨罐中，在室溫下對粉體進行球磨同時表面改性，控制球磨時間為2 h。對球磨后得到的漿體進行抽濾、清洗及冷凍干燥，得到改性后的HA粉體，根據(jù)IP6的濃度將粉體分別記為0-IP6-HA、1000-IP6-HA、3000-IP6-HA、5000-IP6-HA、7000-IP6-HA、10000-IP6-HA。將六種粉體與蒸餾水在不同的固液比[P/L=1/(0.2～0.35)(g/mL)]下進行混合，即得到糊狀骨水泥。

2.2抗壓強度測試

將制備的糊狀骨水泥立即填入尺寸為 6 mm×12 mm的模具孔中，一端抹平，1 h后脫模，室溫下固化24 h 后得到抗壓強度測試試樣。按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5833:2002，利用萬能試驗機(CMT5105)對試樣的抗壓強度進行測試，載荷5 kN，加壓速度為0.5 mm/min，每組至少測試3個平行試樣，取平均值。

2.3樣品的表征

用X射線衍射儀(XRD,Bruker D8 advance-X)對骨水泥固化前后的物相組成進行分析；利用X射線光電子能譜分析儀(XPS,PHI Qqantera II)對表面改性前后粉體的表面原子化學(xué)態(tài)進行分析；通過掃描電子顯微鏡(SEM,Quanta200)觀察骨水泥試樣斷面的微觀形貌。

3　結(jié)果與討論

3.1骨水泥固化前后的XRD分析

圖1a為表面改性前后四種HA粉體的XRD圖譜，1b為四種不同粉體制備的骨水泥固化產(chǎn)物的XRD圖譜。通過與PDF標(biāo)準(zhǔn)卡片對比，所有圖譜均與HA(09-0432)的圖譜相吻合，在2θ=25.8°、31.8°及32.9°處出現(xiàn)了HA的特征衍射峰，并且無其他相的衍射峰出現(xiàn)，說明制備骨水泥所用的粉體原料及骨水泥固化產(chǎn)物均為單相HA。

圖1　(a)表面改性前后HA粉體的XRD圖譜;(b)不同粉體制備的骨水泥固化產(chǎn)物的XRD圖譜Fig.1　XRD patterns of (a)HA powders before and after surface modification;(b)set cements prepared by different powders

3.2表面改性前后HA粉體的XPS分析

在本研究中對改性前后的HA粉體進行了XPS分析，并分別對其表面的C1s的高分辨率譜線進行了分峰擬合。通過對比發(fā)現(xiàn)10000-IP6-HA在285.3 eV處出現(xiàn)了一個新的寬峰，此為IP6中C-O的譜峰，這表明IP6可通過與Ca2+螯合吸附于HA表面，Martin等[7]也曾提出IP6可以與Ca2+發(fā)生螯合反應(yīng)。

圖2　表面改性前后HA粉體表面的C1s的XPS高分辨圖譜(a)0-IP6-HA;(b)10000-IP6-HAFig.2　High resolution spectra of C1s on the surface of HA powders before and after surface modification(a)0-IP6-HA;(b)10000-IP6-HA

3.3抗壓強度測試

圖3　IP6濃度對骨水泥抗壓強度的影響Fig.3　Effect of IP6 concentrations on compressive strength of cement

利用六種粉體制備的骨水泥試樣的抗壓強度如圖3所示。從圖3可以看出，A2、A3組試樣的抗壓強度與A1組近似，均小于20 MPa，而A4組骨水泥的抗壓強度明顯提高，在P/L=1/0.25(g/mL)時可達30 MPa。同時如圖3所示，只有當(dāng)IP6增大到5000 ppm及以上時才可在P/L=1/0.2(g/mL)下調(diào)和成糊狀骨水泥。這是由于當(dāng)IP6濃度達到5000 ppm時，較多的IP6在HA表面吸附使其表面負電性增大到一定程度，進而產(chǎn)生了明顯的減水作用，即在粉體量保持不變的情況下，只需較少的固化液即可制得糊狀骨水泥。因此，骨水泥的孔隙率降低，抗壓強度提高。此外，表面負電荷間的靜電排斥作用也使顆粒排布更加致密，進而降低了孔隙率提高了抗壓強度。當(dāng)IP6濃度進一步增大時，A5、A6組骨水泥的抗壓強度均保持在30 MPa以上。

3.4骨水泥斷面微觀形貌分析

圖4　骨水泥試樣斷面的SEM照片(a)A1;(b)A4;(c)A6Fig.4　SEM images of the specimens fracture surfaces(a)A1;(b)A4;(c)A6

當(dāng)骨水泥受到載荷時首先在顆粒結(jié)合處產(chǎn)生微裂縫，然后微裂縫貫穿孔隙迅速擴展。因此，其抗壓強度取決于顆粒間的結(jié)合強度和孔隙特征。由此，我們利用SEM對試樣斷面的微觀形貌進行了觀察。圖4為A1、A4及A6組骨水泥試樣(P/L均為1/0.25 (g/mL))斷面的微觀形貌照片。通過對比可以看出，圖4a中試樣斷面比較粗糙，基體中存在許多分散的顆粒，顆粒之間的連接也比較松散，并且整個斷面上分布著許多大小不均的孔隙；而圖4b、c中顆粒間連接成片，基體相對比較致密，同時整個斷面上只有較少的納米級孔洞存在，即骨水泥調(diào)和時固化液所占的初始空間。因此，試樣斷面的微觀形貌與其抗壓強度相吻合。

3.5IP6在HA表面的螯合機理分析

圖5　IP6在HA表面的螯合方式Fig.5　Mechanism for the chelating process of the phytic acid on HA surface

根據(jù)IP6在金屬表面的螯合方式[9]，我們提出IP6在HA表面與Ca2+的螯合方式如圖5所示。IP6的分子結(jié)構(gòu)會因溶液的pH值而改變，當(dāng)pH<9時，IP6中的1個磷酸基團(圖5中P2)處于a位，其余5個(P1、P3、P4、P5、P6)處于e位，并且其中4個磷酸基團(P1、P3、P4、P6)處于同一平面上，當(dāng)處于e位的一個磷酸基團(如P1)與HA表面的Ca2+作用時，處于a位的磷酸基團(P2)可以與其他HA顆粒表面的Ca2+發(fā)生螯合反應(yīng)，因此IP6與Ca2+的螯合反應(yīng)可將分散的HA顆粒連結(jié)成整體，從而使羥基磷灰石骨水泥完成固化過程。

4　結(jié)　論

以經(jīng)不同濃度IP6溶液表面改性的HA粉體為固相，蒸餾水為固化液制備了螯合型羥基磷灰石骨水泥，固化產(chǎn)物均為單相HA。當(dāng)IP6濃度達到5000 ppm以上時，由于IP6在HA表面吸附產(chǎn)生的減水作用使骨水泥的抗壓強度保持在30 MPa以上，并且內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較致密。本研究制備的螯合型羥基磷灰石骨水泥克服了單相HA無法自固化及CPC固化時pH值改變等問題，有望在臨床上得到廣泛應(yīng)用。

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Fabrication of Chelating Hydroxyapatite Cement

QI Yan,WANG Tao,YANG Xin,WANG Yang-yang

(School of Material Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106,China)

Chelating hydroxyapatite cement was prepared by using hydroxyapatite (HA) powders modified by phytic acid (IP6) with different concentrations and distilled water used as setting liquid. The study investigated the effect of IP6 concentrations on the curing product,compressive strength and micro-morphology of the prepared cement,and analyzed the mechanism for chelating process of IP6 and HA. The results show that the concentration of IP6 has no change on the curing product,but causes a great change on compressive strength and micro-morphology. When the concentration of IP6 increases to 5000 ppm,the compressive strength is above 30 MPa and the cement become more denser.

chelate;phytic acid;hydroxyapatite;bone cement

江蘇省科技支撐計劃項目(BE2010730);江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目

祁燕(1991-)，女，碩士研究生.主要從事生物陶瓷及應(yīng)用方面的研究.

汪濤,教授.

TB321

A

1001-1625(2016)02-0496-04