余 積，朱曉明，劉小玲，3**，孟令旺，壽曦緣

(1.湖北科技學院藥學院，湖北 咸寧 437100；2.湖北科技學院核技術(shù)與化學生物學院；3.湖北科技學院輻射化學與功能材料湖北省重點實驗室)

磷酸鈣骨水泥(calcium phosphate cement，CPC)是一種骨修復材料，其水化后的產(chǎn)物與天然骨組織相似，CPC由固相和液相組成，固相為兩種或兩種以上的磷酸鹽粉末，液相可以為生理鹽水、蒸餾水及磷酸鈉鹽溶液等，由于其具有良好的生物相容性、骨誘導性、可塑型性及操作簡便等優(yōu)勢，被廣泛用作先天性缺陷、創(chuàng)傷、感染、腫瘤及退行性骨關節(jié)疾病等引起骨缺損的修復材料[1-2]。磷酸四鈣[Ca4(PO4)2O，TTCP]是CPC的重要材料之一[3]，由于TTCP水解過程中產(chǎn)生Ca(OH)2的堿性比較大，能有效抑制水解過程中pH值的急劇變化，消除酸性副產(chǎn)物[4]，所以TTCP體系是目前研究最多且較具發(fā)展?jié)摿Φ腃PC體系[5]。

但是單一的CPC強度較低，易發(fā)生脆性斷裂，這一缺點使CPC僅用于非承重方面[6]。為改善CPC的力學性能，研究者們采用無機鹽、有機物、復合纖維等來增強CPC的強度。納米纖維是一種高取向性和高強度的纖維，具有良好的機械性能，是目前復合材料領域常用的增強物質(zhì)[7-8]。在一項研究中[9]，使用體積分數(shù)為5.7%的兩種不同的纖維芳綸、E-玻璃來復合CPC，復合后的極限強度：芳綸為(62±16)MPa，E-玻璃為(29±8)MPa；相比之下，未添加復合材料的CPC的極限強度為(13±3)MPa。Zheng等[10]在CPC中添加質(zhì)量分數(shù)為2%的碳纖維，使骨水泥的抗壓強度達到81.3MPa。

碳化硅(SiC)纖維具有良好的力學性能，其楊氏模量和抗彎曲程度分別可達到600GPa和53.4GPa[11-14]，同時SiC還具有良好的生物相容性，袁月等[15]通過研究SiC對成骨細胞增殖分化的影響發(fā)現(xiàn)其具有與羥基磷灰石(hydroxyapatite，HAP)相似的良好的生物相容性。楊永超等[16]探究了SiC復合材料用于人工小關節(jié)假體的實驗，發(fā)現(xiàn)SiC復合材料沒有細胞毒性和細胞遺傳毒性，無致敏反應和溶血反應，具有良好的生物相容性，可成為人工小關節(jié)假體的理想材料。

基于前人的研究，我們選用SiC纖維為增強材料，以TTCP和CaHPO4為固相組分，制備了SiC纖維復合的磷酸鈣骨水泥，分析了SiC纖維含量對復合骨水泥固化時間、力學性能的影響，以及固化后骨水泥的微觀形貌，同時分析了碳化硅纖維可作為磷酸鈣骨水泥增強材料的原因。

1 材料與方法

1.1 藥品與試劑

硝酸鈣、磷酸氫二銨、氨水、碳酸銨、無水乙醇(分析純)國藥集團化學試劑有限公司；溴化鉀(光譜純)國藥集團化學試劑有限公司；無水磷酸氫鈣(分析純)阿拉丁試劑(上海)有限公司；SBF模擬體液(分析純)福州飛凈生物科技有限公司；SiC纖維，實驗室自制；蒸餾水，自制。

1.2 儀器與設備

FA2004電子分析天平，上海良平儀器表有限公司；DJ-1型大功率磁力攪拌器，上海漢諾儀器有限公司；低溫恒溫槽，上海漢諾儀器有限公司；超聲波信號發(fā)生器，上海漢諾儀器有限公司；XH2L-17型箱式電阻爐，鄭州鑫涵儀器設備有限公司；SHZ-D(Ⅲ)型循環(huán)水式真空泵，鞏義市予華儀器有限公司；蔡司Merlin型掃描電鏡，德國蔡司；XRD-6000型X射線衍射儀，日本島津公司；維卡儀，上海路達實驗儀器有限公司；Affinity-1紅外光譜儀，日本島津公司；PHS-25型實驗室PH計，上海金邁儀器有限公司；CMT5106型微機控制電子萬能試驗機，美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 CPC固相組分TTCP的制備

將一定濃度的硝酸鈣[Ca(NO3)2]溶液滴加到磷酸氫二銨[(NH4)2HPO4]溶液中，控制Ca/P摩爾比為1.67，以氨水為緩沖液，調(diào)節(jié)pH值為8～9，按整個體系Ca/P摩爾比為2.0的比例，向上述懸浮液中同時滴加Ca(NO3)2溶液和碳酸銨[(NH4)2CO3]溶液，滴加完后打開超聲波發(fā)生器，在低溫恒溫槽中超聲2h，形成均一的懸浮液，陳化1h后抽濾。將濾餅反復洗滌后于100℃～120℃下干燥，將干燥后的粉末壓片后于高溫馬弗爐中以2℃/min速率升溫至1 300℃，保溫6h后，取出在空氣中急冷。反應原理如下：

(1)

Ca(NO3)2+(NH4)2CO3→CaCO3+2NH4NO3

(2)

(3)

1.3.2 復合SiC纖維骨水泥的制備

分別按0/100、3/97、5/95、7/93、10/90、15/85、20/80的比例稱取SiC纖維與固相粉末(TTCP)/CaHPO4混合后按液固比L∶P=1mL∶3g加入固化液，在研缽中混合均勻后迅速置于Ф10mm×Ф10mm的不銹鋼模具中，將兩端抹平后放于37℃的恒溫恒濕箱中養(yǎng)護24h。

1.3.3 X射線粉末衍射(XRD)

采用X射線衍射儀檢測所得產(chǎn)物的物相。儀器電壓30kV，電流40mA，Cukα，掃描角度10°～80°(2θ)。

1.3.4 掃描電子顯微鏡(SEM)

樣品通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察。將無水乙醇超聲分散后的樣品滴在粘有導電膠的樣品臺上，噴金10s×3次。

1.3.5 紅外光譜(FTIR)

取少量樣品與KBr粉末按照質(zhì)量比約1∶100混合，用研缽研磨均勻后壓片，在傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)下檢測紅外吸收峰，檢測范圍為400～4 000/cm。

1.3.6 固化時間測試

使用維卡儀對CPC固化時間進行測定，在測定過程中，CPC樣品須要維持在(23±2)℃，濕度不小于50%。從CPC粉體與液相接觸開始計時，讓針垂直于樣品表面自由滑落，直到測試針不能在樣品表面留下完整的圓形印痕，此時，記錄樣品的固化時間[17]。

1.3.7 模擬體液(SBF)浸泡測試

將固化后的CPC樣品置于盛有模擬體液的容器中，并將容器放于37℃的恒溫恒濕箱，每3d更換一次模擬體液，并使用pH計監(jiān)測溶液pH值的變化。

1.3.8 抗壓強度測試

養(yǎng)護后的骨水泥使用微機控制電子萬能試驗機測其抗壓強度，測試時加載速度為0.02mm/min，每組樣品測4個取其平均值。

2 結(jié) 果

2.1 X射線衍射圖譜分析

圖1為高溫煅燒后所得產(chǎn)物TTCP的XRD圖譜，其衍射峰強度和位置與JCPDS-25-1137卡片相一致，且未觀察到副產(chǎn)物HAP和CaO的峰，說明得到的TTCP較純。

圖1 TTCP的XRD圖譜

2.2 FTIR圖譜分析

圖2為TTCP的FTIR圖譜，TTCP中PO43-的特征振動模式(如446、471、500、620、943、987、1 011、1 032、1 064cm-1)等明顯，在3 571cm-1處未觀察到屬于OH-的尖銳吸收峰，表明樣品中無HAP生成，與TTCP的標準光譜一致，說明制備的TTCP純度高。

圖2 TTCP的FTIR圖譜

2.3 SiC纖維對骨水泥固化時間的影響

圖3為骨水泥固化時間隨SiC纖維含量的變化。由圖3可知，加入SiC纖維骨水泥的固化時間會延長，但固化時間均在12～16min，能滿足臨床使用要求。固化時間的延長是因為SiC纖維的增加，骨水泥基體被稀釋，骨水泥水化時放出的熱量減小，使水化的速率降低。

圖3 骨水泥固化時間隨SiC纖維含量的變化

2.4 SiC纖維對骨水泥抗壓強度的影響

圖4為骨水泥的抗壓強度隨著SiC纖維含量的增加先減小，超過3%時抗壓強度增加，在SiC纖維含量為7%時有最大抗壓強度48.95MPa。超過7%后又會有所降低。根據(jù)材料的復合原理，在復合材料增強的體系中，大部分的載荷由纖維承擔，當界面產(chǎn)生斷裂時，纖維使斷裂發(fā)生偏轉(zhuǎn)或者阻止裂紋的進一步加深，從而調(diào)整界面應力，提高材料的機械性能[18]。當骨水泥中加入SiC纖維量超過7%時，骨水泥的孔隙率大幅度增加，導致纖維對抗壓強度的增強效果不明顯甚至有所降低。然而適量SiC纖維的存在，對抗壓強度卻獲得了一定的增強效果，在含有7%纖維時增至48.95MPa。

圖4 骨水泥抗壓強度隨SiC纖維含量的變化

2.5 模擬體液pH值的變化

圖5為含7% SiC纖維的骨水泥水化過程中pH值隨著浸泡時間所發(fā)生的變化。隨著浸泡時間的延長，pH值先增加后減小，但始終保持在7.3～8.6，由于水化過程中TTCP的溶解度大，水解速度快，同時伴隨OH-的產(chǎn)生，因此，pH值迅速增加。后期CaHPO4水化產(chǎn)生大量的H+，使模擬體液的pH值又降低。

圖5 骨水泥水化過程中pH值隨浸泡時間的變化

2.6 SEM分析

圖6為含7%SiC纖維骨水泥水化后SEM圖片。從圖中可以看出骨水泥粉體水化后，轉(zhuǎn)為細小的HAP針狀晶體，構(gòu)成類似花狀的團簇，以降低表面的活化能，增加材料的穩(wěn)定性。晶體的長度在200～400nm，它們相互纏結(jié)簇擁在一起，有些團簇之間的空隙較大，連接比較薄弱，有些連接較為緊密。HAP晶體交聯(lián)互織的結(jié)合形態(tài)賦予骨水泥一定的機械強度，同時與人骨相似的HAP晶體更有利于骨水泥的成骨性能[19]。由圖可知，加入7%SiC纖維并未影響骨水泥的生物活性，同時SiC纖維的加入也能在一定程度上增加骨水泥的抗壓強度，改善其力學性能，增強表面生物活性。

圖6 含7%SiC纖維骨水泥水化后SEM照片

3 討 論

我們利用超聲法制備出TTCP的前驅(qū)體，然后通過固相反應法在1 300℃煅燒出TTCP，通過XRD和FTIR檢測發(fā)現(xiàn)制備的TTCP純度較高，接著將TTCP和CaHPO4按照1∶1的摩爾比混合制備出骨水泥的固相，固相和液相按照液固比L∶P=1mL∶3g調(diào)和后制備出骨水泥，最后在骨水泥中加入一定量的SiC纖維，并考察骨水泥的固化時間、抗壓強度以及模擬體液的pH值隨浸泡時間的變化，發(fā)現(xiàn)當加入7%SiC纖維時骨水泥的抗壓強度最高可達到48.95Mpa，與未加纖維時比抗壓強度增幅達52.2%，復合骨水泥的固化時間在14.2min之內(nèi)，滿足臨床使用要求，在浸泡過程中pH值的變化范圍在7.3～8.6，在生理條件下處于安全變化范圍。

本文主要研究了SiC復合磷酸鈣骨水泥的力學性能、固化時間及模擬體液的pH值的變化，對于磷酸鈣骨水泥其他性能如可注射性、骨誘導性、可降解性及骨誘導性未做深入探討，但是若將SiC復合磷酸鈣骨水泥應用到臨床上還需進行細胞毒性研究以及動物實驗來探究復合骨水泥是否具有細胞毒性、溶血性以及生物相容性和骨傳導性。