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)?，隨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)。

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