黃陽(yáng)陽(yáng)，謝瑞娟,，于法鵬，王 彪，王 鵬

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021；2.現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215123)

絲素/半水硫酸鈣/磷酸鈣骨水泥復(fù)合材料初探

黃陽(yáng)陽(yáng)1，謝瑞娟1,2，于法鵬1，王 彪1，王 鵬1

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021；2.現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215123)

在半水硫酸鈣/磷酸鈣骨水泥系統(tǒng)中添加絲素蛋白(SF)和納米羥基磷灰石(n-HA)以改善其性能，用X-射線衍射和FT-IR光譜研究材料的結(jié)構(gòu)和組分，用掃描電子顯微鏡觀察材料的表面形態(tài)，用排液法測(cè)定材料的孔隙率，用通用力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)定樣品的抗壓性能。結(jié)果表明，絲素/半水硫酸鈣/磷酸鈣骨水泥(SF/CSH/CPC)復(fù)合材料的固相與液相發(fā)生固化反應(yīng)后，生成了羥基磷灰石，并含有未完全轉(zhuǎn)化的磷酸四鈣和無(wú)水磷酸氫鈣。與純半水硫酸鈣/磷酸鈣系統(tǒng)相比，加入SF和n-HA的復(fù)合材料的孔隙率增加，其結(jié)構(gòu)和凝固時(shí)間無(wú)明顯差異；添加n-HA，壓縮強(qiáng)度有所下降，但壓縮斷裂功無(wú)明顯差異；添加SF，雖然壓縮強(qiáng)度也有所下降，但壓縮斷裂功增加明顯。

絲素；納米羥基磷灰石；磷酸四鈣；硫酸鈣；壓縮斷裂功

硫酸鈣(CS)用作骨修復(fù)材料已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史，CS具有生物相容性良好、對(duì)周圍組織不產(chǎn)生炎癥和異物刺激作用、在體內(nèi)能夠完全被降解吸收等優(yōu)點(diǎn)。但CS的降解速度快于新生骨組織的生長(zhǎng)速度，這限制了它在臨床上的廣泛應(yīng)用[1]。

20世紀(jì)80年代，Brown等研制了磷酸鈣骨水泥(CPC)，它主要由固相(多種磷酸鈣鹽的混合物)和液相(蒸餾水、生理鹽水、磷酸鹽緩沖液、血液等)組成。固相粉末和固化液調(diào)和后，在室溫或體內(nèi)生理?xiàng)l件下自行固化，最終產(chǎn)物為與骨組織的無(wú)機(jī)成分極為相似、晶相結(jié)構(gòu)亦與骨組織相近的羥基磷灰石(HA)。CPC具有良好的生物相容性、可降解性、骨傳導(dǎo)性，可任意塑型，與周圍骨組織連接緊密等多種優(yōu)點(diǎn)。但是普通CPC存在脆性大、凝固時(shí)間長(zhǎng)、降解速度較慢等缺點(diǎn)，因而研究者們將CPC與各種材料如殼聚糖、可吸收纖維、膠原等進(jìn)行復(fù)合[2-5]，但均未取得重大突破。

絲素蛋白(SF)不僅具有良好的力學(xué)性能，而且還具有良好的生物相容性、可降解性。SF作為生物醫(yī)用材料的優(yōu)異性能和巨大潛力引起了國(guó)內(nèi)外生物材料界的極大關(guān)注，美國(guó)、日本、韓國(guó)、意大利等國(guó)的多個(gè)生物醫(yī)用材料研究組近年逐漸將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向蠶絲絲素材料，對(duì)絲素材料與細(xì)胞的相互作用進(jìn)行了大量的研究，其應(yīng)用目標(biāo)包括軟骨、韌帶、血管、皮膚、神經(jīng)、骨組織等的再生[6-7]。謝瑞娟等研究表明SF能改善CPC的力學(xué)性能[8]。

關(guān)于HA對(duì)磷酸四鈣體系的凝固時(shí)間和抗壓強(qiáng)度影響的研究結(jié)果有兩種觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為添加HA晶種可以大大縮短固化時(shí)間，提高抗壓強(qiáng)度[9-10]；另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為添加HA晶種雖可以加速水化過(guò)程，但骨水泥的壓縮強(qiáng)度下降[11]。而SF和HA對(duì)硫酸鈣/磷酸鈣體系骨水泥的影響未見(jiàn)有關(guān)報(bào)道。

本研究CPC選擇磷酸四鈣(TTCP)和無(wú)水磷酸氫鈣(DCPA)，CS選具有自固化能力的半水硫酸鈣(CSH)，在硫酸鈣/磷酸鈣系統(tǒng)中添加SF和納米羥基磷灰石(n-HA)，制備SF/CSH/CPC復(fù)合材料，以期改善復(fù)合材料的力學(xué)性能和孔隙率，探討SF和n-HA對(duì)復(fù)合材料性能的影響，為SF、n-HA用于可注射人工骨——硫酸鈣/磷酸鈣骨水泥復(fù)合材料提供參考。

1 材料與方法

1.1 SF的制備

將家蠶絲置于0.05 %無(wú)水碳酸鈉溶液中，在100 ℃條件下重復(fù)處理3次以脫去蠶絲中的絲膠。將脫膠后所得的絲素纖維放入CaCl2、H2O和C2H5OH的三元混合溶劑中，在(72±2)℃條件下攪拌得到棕黃色的絲素-CaCl2混合液。將所得的絲素-CaCl2混合溶液經(jīng)透析過(guò)濾獲得絲素溶液。用噴霧干燥設(shè)備將該絲素溶液在進(jìn)風(fēng)溫度為150 ℃下干燥制得無(wú)定形為主的絲素蛋白粉，再用乙醇處理該SF粉制得結(jié)晶型的SF粉。

1.2 CPC的制備

TTCP的制備：按鈣磷摩爾比1.67稱取一定量的Ca(NO3)2?4H2O和(NH4)2HPO4分別配制成溶液，將(NH4)2HPO4溶液滴加到Ca(NO3)2?4H2O溶液中，保持溶液的pH值在9～10。滴加完畢后繼續(xù)攪拌反應(yīng)3 h，陳化24 h后，按整個(gè)系統(tǒng)鈣磷摩爾比為2.0的比例向所得懸浮液中同時(shí)滴加Ca(NO3)2?4H2O溶液和(NH4)2CO3溶液，滴加完畢后陳化24 h，再進(jìn)行過(guò)濾洗滌，將獲得的濾餅放在烘箱中干燥后再放到氣氛高溫爐中，在1 500 ℃下煅燒8 h后，進(jìn)氮?dú)饫鋮s至1 300 ℃取出樣品在空氣中急冷得到TTCP，研磨后過(guò)250目標(biāo)準(zhǔn)篩后獲得TTCP粉末。

DCPA的制備：取一定量的二水磷酸氫鈣(DCPD)在QM-3SP2球磨機(jī)中球磨15 h后取出并放入120 ℃烘箱烘12 h，過(guò)300目標(biāo)準(zhǔn)篩后獲得DCPA粉末。

CPC的制備：將TTCP和DCPA以1∶1的摩爾比混合獲得磷酸鈣骨水泥固相。

1.3 復(fù)合材料的制備

按照一定的液固比向固相中加入固化液，將其調(diào)制成膏狀體并填注于不銹鋼模具(直徑6 mm，高度12 mm)中，將此模具置于溫度(37±0.5)℃、相對(duì)濕度100 %的環(huán)境中4 h后脫模取出樣品，再將該樣品放入溫度(37±0.5)℃的模擬體液中20 h，得到復(fù)合材料的固化體。本研究選擇4種固相，其組成及配比如表1所示。

表1 固相的組成及配比Tab.1 Composition and proportions of solid phase

1.4 復(fù)合材料的組分及結(jié)構(gòu)測(cè)定

X-射線衍射：使用X-射線多晶衍射儀(荷蘭，X’Pert-Pro MPD)，在管電壓40 kV，管電流40 mA，掃描速度為5(°)/min，用超能探測(cè)器記錄2θ＝5°～60°的材料的X-射線衍射強(qiáng)度曲線。

紅外光譜：將各復(fù)合材料樣品的粉末分別與KBr壓片制樣，用Nicolet 5700 FT-IR紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)定，掃描范圍在4 000～400 cm-1測(cè)得各樣品紅外光譜圖。

1.5 復(fù)合材料的凝固時(shí)間測(cè)定

將固相原料與固化液按一定的液固比混合調(diào)勻后，填注于直徑9 mm、高40 mm的模具中后，放置在溫度(37±0.5)℃、相對(duì)溫度100 %的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)。每隔一定時(shí)間取出樣品用ISO水泥標(biāo)準(zhǔn)維卡儀測(cè)定，若樣品的表面有壓痕，則將樣品繼續(xù)養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間后再測(cè)，直至樣品表面不能觀察到圓形壓痕為止。從骨水泥固液相混合均勻開(kāi)始至樣品表面無(wú)圓形壓痕的這段時(shí)間定為凝固時(shí)間。

1.6 復(fù)合材料的抗壓性能測(cè)定

用砂紙輕輕把試樣兩端打磨平滑，制成規(guī)格為6 mm×12 mm的試樣，在Instron5566力學(xué)萬(wàn)能測(cè)試機(jī)上測(cè)試，以加載速度1 mm/min進(jìn)行軸向加壓，由自動(dòng)記錄儀記錄壓力和位移的變化，根據(jù)所測(cè)得的力學(xué)指標(biāo)獲得壓縮強(qiáng)度、壓縮斷裂功。

1.7 復(fù)合材料的孔隙率測(cè)定

利用排液法測(cè)定復(fù)合材料的孔隙率。先用砂紙打磨樣品使表面盡量光滑，將樣品在105 ℃烘箱中烘2 h后取出并稱樣品質(zhì)量W(g)；將樣品浸沒(méi)在乙醇中，然后放入干燥器中抽真空1 h；把浸泡過(guò)的樣品放入盛有一定體積V1(mL)乙醇的量筒中，記下放入樣品后液面高度V2(mL)后，取出樣品稱得其質(zhì)量為W1(g)；根據(jù)下式計(jì)算樣品的孔隙率M(乙醇的密度ρ1＝0.78 g/cm3)：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合材料的X-射線衍射分析

圖1為復(fù)合材料固相原料的X-射線衍射曲線。由圖1可知，樣品1、2、3、4固相原料的X-射線衍射曲線在2θ＝25.3°、29.2°、29.8°、32.4°等處均出現(xiàn)了TTCP的特征衍射峰，在2θ＝26.5°、30.2°等處出現(xiàn)了DCPA特征峰，2θ＝14.7°處出現(xiàn)了CSH特征峰，這說(shuō)明了4種固相原料都含有TTCP、DCPA及CSH。而在2θ＝32.9°處(樣品2、4)出現(xiàn)了HA的特征衍射峰，這說(shuō)明樣品2、樣品4中還含有HA。

圖1 固相原料的X-射線衍射曲線Fig.1 XRD curves of solid phase raw material

圖2為復(fù)合材料固化體的X-射線衍射曲線。由圖2可知，樣品1、2、3、4固化體的X-射線衍射曲線在2θ＝31.8°、32.9°等處均出現(xiàn)了HA的特征衍射峰；在2θ＝25.3°、29.2°、29.8°處均出現(xiàn)了TTCP的特征衍射峰，在2θ＝30.2°處均出現(xiàn)了DCPA的特征衍射峰，在2θ＝35.4°、43.5°處均有微弱的二水硫酸鈣特征衍射峰。這說(shuō)明復(fù)合材料初始固相與液相發(fā)生固化反應(yīng)后，均產(chǎn)生了新的組分HA，同時(shí)還含有少量未完全轉(zhuǎn)化的TTCP和DCPA；CSH在固化反應(yīng)后轉(zhuǎn)變?yōu)槎蛩徕}；SF和HA的加入對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無(wú)明顯影響。

圖2 固化體的X-射線衍射曲線Fig.2 XRD curves of solidif i ed body

2.2 復(fù)合材料的FT-IR光譜分析

圖3為復(fù)合材料固相原料的FT-IR光譜圖。由圖3可知，樣品1、2、3、4在565 cm-1、1 067 cm-1附近均出現(xiàn)PO43-的特征吸收峰，在1 135 cm-1附近出現(xiàn)SO42-的特征吸收峰。這說(shuō)明本研究所用的CPC原料含有磷酸鹽和硫酸鈣，這與X-射線衍射分析的結(jié)果相符。

圖4 固化體的FT-IR光譜Fig.4 FT-IR spectra of solidif i ed body

圖3 固相原料的FT-IR光譜Fig.3 FT-IR spectra of solid phase raw material

圖4為復(fù)合材料固化體的FT-IR光譜圖。由圖4可知，樣品1、2、3、4在565 cm-1、603 cm-1、1 034 cm-1、1 067 cm-1附近均存在較強(qiáng)的HA中的PO43-的特征吸收峰[12]，而在1 626 cm-1、3 430 cm-1附近都有OH-的特征吸收峰，說(shuō)明固相原料與液相發(fā)生固化反應(yīng)生成了HA，這也與X-射線衍射分析的結(jié)果相符。加入SF的復(fù)合材料的FT-IR光譜圖(樣品3、4)與不加SF的(樣品1、2)相比無(wú)明顯差異，特征峰的位置也很接近。這也證明SF和HA的加入對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)無(wú)明顯影響，其固化后最終產(chǎn)物中也都出現(xiàn)了HA。

2.3 復(fù)合材料的凝固時(shí)間

在本實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)得樣品1、2、3、4的凝固時(shí)間(min)分別為：10.33±0.58，11±1.00，10.33±0.58，11.67±0.58。由此可見(jiàn)，在硫酸鈣/磷酸鈣系統(tǒng)中單獨(dú)添加n-HA(樣品2)或SF(樣品3)或同時(shí)添加n-HA、SF(樣品4)其凝固時(shí)間均無(wú)明顯差異，均符合Khairoun[13]根據(jù)臨床試驗(yàn)提出的凝固時(shí)間需小于15 min的要求。

2.4 復(fù)合材料的SEM觀察

圖5為復(fù)合材料固化體的掃描電鏡照片,a～d分別代表樣品1～4，a1～d1放大500倍，a2～d2放大2萬(wàn)倍。

圖5 固化體的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.5 SEM images of solidif i ed body

由圖5可知，4種復(fù)合材料固化體表面均出現(xiàn)了一些微孔(a1、b1、c1、d1)，且在CSH/CPC復(fù)合材料中單獨(dú)添加n-HA(b1)或同時(shí)添加n-HA和SF(d1)的孔隙比純硫酸鈣/磷酸鈣系統(tǒng)(a1)的孔隙大而深。這說(shuō)明在本實(shí)驗(yàn)條件下，添加n-HA或SF改善了復(fù)合材料的孔隙狀況。在放大2萬(wàn)倍的SEM照片上均觀察到了HA的晶狀結(jié)晶體(a2、b2、c2、d2)。這也說(shuō)明CPC在固化過(guò)程中成分確實(shí)發(fā)生了變化，形成了新的成分HA，這與X-射線衍射分析及FT-IR光譜的結(jié)果是一致的。

2.5 復(fù)合材料的孔隙率

用排液法測(cè)得的樣品1、2、3、4的孔隙率分別為(42±2)%、(45±1)%、(44.5±3)%、(46±7)%。這說(shuō)明，在本實(shí)驗(yàn)條件下，在硫酸鈣/磷酸鈣系統(tǒng)中單獨(dú)添加n-HA(樣品2)或SF(樣品3)或者同時(shí)添加n-HA、SF(樣品4)的孔隙率均比純硫酸鈣/磷酸鈣系統(tǒng)(樣品1)的高，這與SEM觀察的孔隙狀況相符。這也同時(shí)說(shuō)明添加n-HA或SF或同時(shí)添加這兩種物質(zhì)，復(fù)合材料的孔隙率均有提高，對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)是有利的。

2.6 復(fù)合材料的力學(xué)性能

由表2可知，與純硫酸鈣/磷酸鈣系統(tǒng)(樣品1)相比，在硫酸鈣/磷酸鈣系統(tǒng)中單獨(dú)添加n-HA(樣品2)，壓縮強(qiáng)度有所下降，但壓縮斷裂功無(wú)明顯差異；在硫酸鈣/磷酸鈣系統(tǒng)中添加SF的雖然壓縮強(qiáng)度也有所下降，但壓縮斷裂功增加明顯。這說(shuō)明SF能改善硫酸鈣/磷酸鈣復(fù)合材料的力學(xué)性能，增加了材料的韌性。壓縮強(qiáng)度下降是由于材料的孔隙率大造成；而加入SF后材料的壓縮斷裂功增加可能是硫酸鈣/磷酸鈣系統(tǒng)中釋放出來(lái)的鈣離子與SF上氨基、羧基和羥基形成了一定的結(jié)合，當(dāng)外力作用到材料上，應(yīng)力通過(guò)基體傳到絲素大分子，絲素分子發(fā)生滑移，使材料應(yīng)變?cè)黾?，最終使壓縮斷裂功增加。

表2 復(fù)合材料的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of the composites

3 結(jié) 論

1)由X-射線衍射分析和FT-IR光譜分析可知，SF/CSH/CPC復(fù)合材料的固相與液相發(fā)生固化反應(yīng)后，生成了產(chǎn)物HA，同時(shí)還含有未完全轉(zhuǎn)化的TTCP、DCPA。SF、n-HA的加入，對(duì)材料結(jié)構(gòu)無(wú)明顯影響。

2)由SEM照片顯示，SF/CSH/CPC復(fù)合材料的固體化表面出現(xiàn)了大小不一的微孔，且在硫酸鈣/磷酸鈣系統(tǒng)中單獨(dú)添加n-HA或同時(shí)添加n-HA和SF的孔隙比純硫酸鈣/磷酸鈣系統(tǒng)的孔隙大而深；固化反應(yīng)產(chǎn)物中也均出現(xiàn)了HA晶狀體。

3)用排液法測(cè)得的孔隙率為：在硫酸鈣/磷酸鈣系統(tǒng)中單獨(dú)添加n-HA或SF或同時(shí)添加n-HA和SF的大于純硫酸鈣/磷酸鈣系統(tǒng)的，即復(fù)合材料的孔隙率得到了提高。這將有利于細(xì)胞的生長(zhǎng)、骨組織缺損的修復(fù)。

4)與純硫酸鈣/磷酸鈣系統(tǒng)的相比，在硫酸鈣/磷酸鈣系統(tǒng)中添加n-HA的壓縮強(qiáng)度有所下降，但壓縮斷裂功無(wú)明顯差異；添加SF的雖然壓縮強(qiáng)度也有所下降，但壓縮斷裂功增加明顯，使復(fù)合材料的韌性得到了改善。關(guān)于絲素蛋白的比例、液固比等對(duì)復(fù)合材料性能的影響有待進(jìn)一步研究。

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Preliminary study of silk fi broin/calcium sulfate hemihydrate/calcium phosphate cement composite materials

HUANG Yang-yang1, XIE Rui-juan1,2, YU Fa-peng1, WANG Biao1, WANG Peng1
(1. College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China; 2. National Engineering Laboratory for Modern Silk,Suzhou 215123, China)

The properties of calcium sulfate hemihydrate(CSH)/calcium phosphate cement(CPC) system had improved by adding silk fibroin (SF) and nano-hydroxyapatite(n-HA). The structure and composition of materials was studied by X-ray diffraction. The surface morphology of materials was observed by scanning electron microscope. The porosity of materials was evaluated by drainage method, and the mechanical property of materials was tested by Instron Universal Testing Machine. The results showed that after the setting reaction of the solid and liquid phase of SF/CSH/CPC composites, HA was produced and tetracalcium phosphate and dicalcium phosphate anhydrous which were not totally transferred was still contained. Compared to pure CSH/CPC system, the porosity of the composites was improved when adding SF and n-HA, and the structure and setting time of them had not significant differences. The compressive strength of the composites was decreased while work-of-compressive had not significant infection when adding n-HA. The compressive strength of the composites had decreased slightly while work-of-compressive of them obviously improved when adding SF.

Silk fibroin; Nano-hydroxyapatite; Tetracalciun phosphate; Calcium sulfate; Compression fracture work

R318.08；TB332

A

1001-7003(2011)04-0012-05

2010-10-20；

2010-12-06

江蘇省自然科學(xué)基金創(chuàng)新學(xué)者攀登項(xiàng)目(BK2008 008)；江蘇省高校省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(KJS1014)

黃陽(yáng)陽(yáng)(1987－ )，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榻z蛋白生物材料。通訊作者：謝瑞娟，教授，碩導(dǎo)，xieruijuan@suda.edu.cn。