不同高溫處理工藝對C／C復合材料生物相容性的影響

倪昕曄，李愛軍，鐘 萍，林 濤，熊信柏，顧衛東

（1上海大學 材料科學與工程學院，上海200444；2南京醫科大學 附屬常州第二人民醫院，江蘇 常州213003；3南京航空航天大學 材料科學與技術學院，南京210016；4深圳大學 材料學院，廣東 深圳518060）

碳是組成有機物質的主要元素之一，更是構成人體的重要元素［1］，碳材料已在心臟瓣膜、骨骼、齒根、血管、肌腱等諸多人工材料方面獲得應用和發展。C／C復合材料克服了單一碳材料的脆性，具有高強度、高韌性、耐腐蝕、耐高溫等優點［2，3］，C／C復合材料是以炭纖維增強炭基體的新型復合材料，是一種極有潛力的新型生物醫用材料。C／C復合材料彈性模量與人骨相當，是具有良好應用前景的人工關節、骨假體材料［4］，過去常關注的是C／C復合材料表面炭顆粒的脫落和表面改性［5－8］，但國內外對于醫用C／C復合材料制備的報道較少，從采購原材料到生產C／C復合材料整個過程未能嚴格按照醫用標準，目前C／C復合材料大多來源于航空航天領域［9］，含有各種雜質甚至有毒元素，如何在制備過程中消除或減少有毒元素從而使C／C復合材料生物相容性較好，是生物材料領域遇到的難題之一。過去對C／C復合材料的毒性進行了研究，一般認為毒性較小或無毒［10］，這可能與實驗材料的選取、實驗方法有關，過去評價生物相容性常用的方法是細胞在植入物浸提液環境中培養，而不是直接在植入物表面培養［11］。本研究通過不同工藝化學氣相浸滲法（Chemical Vapor Infiltration，CVI）制備含有不同成分的C／C復合材料，來分析在其表面人顱骨成骨細胞的生長情況。這種利用C／C復合材料耐高溫特點來延長高溫處理時間，以減少或去除C／C復合材料的有毒物質未見相關報道。

1 實驗

1.1 C／C復合材料制備及成分檢測

通過CVI方法制備2.5維PAN基的C／C復合材料，預制體原始基體密度為0.5g／cm3，把碳氫化合物氣體通入CVI爐中，制得1.3g／cm3的C／C復合材料，經2800～3200℃石墨化處理4h。在此基礎上繼續熱解炭沉積，制得密度為1.5g／cm3的C／C復合材料，再石墨化處理4h。進一步熱解炭沉積，得到1.7g／cm3的C／C復合材料，再石墨化處理4h或8h。

制備得到密度分別為1.3，1.5，1.7g／cm3的 C／C復合材料，其中1.7g／cm3的C／C復合材料分為兩種不同熱處理時間得到的材料。材料高溫石墨化累計時間分 別 為 4（1.3g／cm3），8（1.5g／cm3），12（1.7g／cm3），16（1.7g／cm3）h。將4種 C／C復合材料切割成10mm×10mm×2mm的植入樣品各24個，表面用360＃，600＃，1200＃砂紙依次進行打磨，以消除材料密度差異引起的表面粗糙度對成骨細胞生長的影響［4］，依次用無水乙醇、雙蒸餾水進行超聲清洗3次，再進行高溫消毒。

用Vista－AX型等離子體發射光譜儀對這4種C／C復合材料進行成分檢測。

1.2 成骨細胞增殖實驗

把C／C復合材料放入24孔細胞培養板中，每孔加入含有2×104個／m L的人顱骨成骨細胞的培養基1m L，培養基為RPMI1640和DMEM混合液，讓細胞自然沉落在C／C復合材料表面，5h后吸取培養基，將PBS加入每孔中，并清洗C／C復合材料樣品表面，再把表面黏附有成骨細胞的C／C復合材料移到新的24孔細胞培養板中，加培養基繼續培養，分4個時間段進行觀察，依次為2，4，6，8天進行比較。每個試驗材料每個時間段有6塊C／C復合材料，其中5塊進行細胞計數，用胰酶把細胞從材料表面沖洗下來，并在PBS中重懸，采用九宮格細胞計數，測量每小格中的細胞數，再換算成每塊材料表面總的細胞數，取平均值，用SPSS 11.0軟件多組均數比較的方差分析各組細胞數之間的差異。另一塊進行熒光顯微鏡觀察，首先使用PBS清洗材料表面，體積分數10%甲醛室溫進行固定15min，再用5μg／m L的碘化丙啶（PI，SIGMA 公司）進行熒光染色15min，最后用抗熒光淬滅液封片，采用OLYMLUSIX71型倒置熒光顯微鏡進行觀察并拍攝照片。

2 結果與討論

2.1 成分測量結果

用等離子體發射光譜儀對C／C復合材料檢測，共檢測了17種金屬元素，分別是 Na，Mg，K，Ca，Mn，Fe，Cu，Zn，Ni，Pd，Ti，Al，Cr，Cd，Hg，Pb，As等，由于在4種材料中都沒有發現Pd和Cu，故未在表1中標出。為了便于比較，將密度為1.3，1.5，1.7（12h），1.7g／cm3（16h）的C／C復合材料分別稱為 A，B，C，D型C／C復合材料。通過比較 Na，Mg，Al，K，Ca，Ti，Cr，Mn，Fe，Ni，Cd，Hg等的含量大小依次為 A＞B＞C＞D，C，B，D材料不含有Zn，As，Pb；A，B材料 Hg的含量分別是C的12，15倍，是D材料的44，52倍；A，B材料Al的含量分別是C的5，20倍，是D材料的15，68倍；A，B材料Cd的含量分別是C和D的2，3倍。

表1 C／C復合材料雜質含量（mg·kg－1）Table 1 Impurities content of carbon／carbon composites（mg·kg－1）

2.2 成骨細胞增殖實驗結果

圖1 C／C復合材料表面細胞增殖數Fig.1 Cell proliferation number on the surface of carbon／carbon composites

成骨細胞在C，D復合材料表面生長良好，細胞數隨著培養時間的延長而增加，符合細胞的生長規律；而成骨細胞在A，B復合材料表面生長狀況差，如圖1所示，在C，D材料表面，成骨細胞數量隨著時間的延長而快速增長，到8天時細胞數量達到19500個左右。在A，B材料表面，成骨細胞數量在2，4天時增殖緩慢，在6天時A，B材料表面細胞數量只有150個左右，到8天時A，B材料表面細胞數量略有增加。

C，D與A，B的實驗結果經SPSS11.0軟件多組均數比較的方差分析，P＜0.05，有顯著性差異，C與D結果之間，P＞0.05，無顯著性差異。從熒光顯微鏡觀察結果分析，第2天（見圖2），C，D復合材料表面成骨細胞數量多，呈梭形形狀，甚至能看到偽足的伸出，核染色明亮；B復合材料表面成骨細胞數量少，呈圓形，部分呈梭形，核染色不明亮；A復合材料表面成骨細胞數量少，形態呈圓形。第8天（見圖3），C，D復合材料表面成骨細胞多，由于連成一片，因此不能清晰識別細胞的形狀；B復合材料表面成骨細胞數量少，細胞體積大，大部分細胞形態呈圓形 ，一小部分細胞呈梭形；A復合材料表面成骨細胞細胞數量少，細胞體積大，形態呈圓形。

圖2 C／C復合材料表面成骨細胞第2天熒光顯微圖（a）1.3g／cm3；（b）1.5g／cm3；（c）1.7g／cm3，12h；（d）1.7g／cm3，16hFig.2 Fluorescence microscopy map of osteoblasts on the surface of carbon／carbon composites in the second day（a）1.3g／cm3；（b）1.5g／cm3；（c）1.7g／cm3，12h；（d）1.7g／cm3，16h

2.3 討論

成骨細胞在C復合材料生長良好，細胞數隨著時間的延長而增加，符合細胞的生長規律，C與D表面的細胞增殖數量沒有差異，而成骨細胞在A，B復合材料生長狀況差。

由于在細胞增殖實驗前對4種植入物表面進行了表面打磨處理，消除了粗糙度的影響因素，因此影響細胞增殖的只有C／C復合材料本身因素即微量元素含量。

圖3 C／C復合材料表面成骨細胞第8天熒光顯微圖（a）1.3g／cm3；（b）1.5g／cm3；（c）1.7g／cm3，12h；（d）1.7g／cm3，16hFig.3 Fluorescence microscopy map of osteoblasts on the surface of carbon／carbon composites in the eighth day（a）1.3g／cm3；（b）1.5g／cm3；（c）1.7g／cm3，12h；（d）1.7g／cm3，16h

由表1可見，4種材料中Cu，Pd都沒有檢出，故不考慮其影響。在人體中元素的含量占體重質量分數0.01%以上的稱為常量元素，Na，Mg，K，Ca等是常量元素，故不考慮其毒性。在人體中元素的含量占體重質量分數0.01%以下的稱為微量元素，Fe，Mn，Zn，Ni，Cr等是人體必需微量元素，Fe，Mn，Zn，Ni在4種材料中的數量級較小，因此不考慮其對成骨細胞的毒性，Cr含量過高，會對機體和細胞產生毒性，Cr在水中通常以Cr6＋和Cr3＋兩種形式存在，Cr3＋參與糖的代謝和防止人患冠狀動脈粥樣硬化癥可能性，Cr6＋和Cr3＋過量攝入對人體都有害，過高的Cr3＋會明顯抑制成骨細胞生長［12］，通常認為 Cr6＋危害更大，Cr6＋會穿過細胞膜還原成穩定的Cr3＋，同時產生四價、五價鉻及產生強氧化作用，這些都會造成對細胞脫氧核糖核酸（DNA）的損傷［13］，影響細胞的增殖。Ti元素化學性質穩定，已證明其有優異的生物相容性。4種材料中Al，Cd，Hg，Pb，As等這些元素為人類非必須微量元素，有可能對成骨細胞造成毒性傷害。

Cd有致畸、致突變、致癌作用，Koizumi等認為Cd能使DNA損傷，引起DNA的單鏈斷裂［14］。復旦大學錢海雷研究認為Cd直接作用于成骨細胞，使骨特異性堿性磷酸酶（b－ALP）顯著下降，而這種磷酸酶對骨的礦化有重要的作用；同時研究還認為鎘會影響膠原的代謝［15］。Hg可與細胞膜上的巰基結合，使細胞膜通透改變，引起細胞膜功能的障礙，從而影響生化反應和細胞功能；Hg還可作用于線粒體，使其釋放細胞色素C等蛋白，與細胞質中的凋亡蛋白酶激活因子，從而誘導細胞凋亡。Pb進入人體后數周，主要沉積于骨骼和頭發［16］，影響成骨細胞的鈣磷代謝，Pb甚至可代替鈣來激活鈣通道，激活蛋白激酶，產生異常的鈣信號，干擾細胞的功能；Pb可抑制堿性磷酸酶（ALP）的活性，影響成骨細胞的增殖［17］。As是一種細胞原漿毒，與含巰基的酶結合，使酶失去活性，影響細胞的生物氧化過程，從而干擾細胞能量代謝等。Al攝入過多，會沉積在骨中，通過鈣化組織中的磷、鈣以及與維生素D相互作用，干擾骨磷酸酶產生，從而抑制成骨細胞生長；Al還有很強的神經毒性、生殖毒性等［18］。胡曉磐等將 Hg，Cd，Pb聯合染毒與單獨染毒對比發現，對小鼠淋巴細胞的DNA損傷更強，有統計學意義，但有意思的是Hg與Pb，Hg與Cd聯合染毒與單獨染毒對DNA損傷沒有統計學差異［19］。

目前對骨科植入物有毒或有可能致毒金屬元素的含量沒有一個明確的規定，更多參考的是藥物或食品安全標準對金屬的要求［20，21］。中國國家標準化管理化委員會制定的外科植入物用不銹鋼（GB 4234—2003）標準規定：Cu的質量分數應≤0.5%、Mn的質量分數應≤2%，而對Cr的質量分數定在17%～19%，這些規定更多的是考慮提高冶煉工藝［22］。中華人民共和國藥典2010年版一部規定：Pb，Cd，As，Hg，Cu的含量分別不超過5，0.3，2，0.2，20mg／kg［23］。同時中華人民共和國藥典2010年版二部也規定Cr的含量不得超過2mg／kg。因此在Cr的含量規定來看，中國國家標準化管理化委員會制定的外科植入物用不銹鋼（GB 4234—2003）標準規定和中華人民共和國藥典2010年版相差較遠，有可能前一個是考慮的植入物，后一個考慮的是口服藥。參照中華人民共和國藥典2010年版一部規定，A，B，C，D復合材料Cr的含量都是超標的，分別超標101，46，18，6倍，但按照中國國家標準化管理化委員會制定的外科植入物用不銹鋼（GB 4234—2003）又是符合要求的，因此在Cr的含量規定方面今后是需要更多研究的。世界衛生組織和聯合國糧農組織（WHO／FAO）將Al作為食品污染物加以控制，規定Al攝入量為每千克每周7mg／kg的標準。也有規定70kg體重的人每天 Al，Cu，Cr，Pb，Cd的攝入量不超過5，2.5，0.2，0.415，0.057mg［20］。參照中華人民共和國藥典2010年版規定，除Cr外，C，D復合材料是符合規定的，B復合材料Hg含量超標，超過標準11倍，A復合材料Hg含量超標，超過標準13倍。但是植入物與藥物、食物含有的金屬相比較，還要考慮金屬物質從C／C復合材料溶出率的因素，即某種金屬物質在一定時間段從C／C復合材料溶出的數量［24］。

從以上分析看，A，B C／C復合材料表面成骨細胞生長差的原因與其含有的有毒金屬物質超標是有關的，特別是Hg含量，但是也要考慮每一種物質雖然沒有超標、但是幾種物質聯合的協同毒性作用［19］。A，B C／C復合材料有毒金屬物質含量高與其制造工藝有關，因為在原始基體密度為0.5g／cm3到1.3g／cm3的C／C復合材料（A）制作中，密度增加了0.8g／cm3，但是2800～3200℃進行石墨化處理4h不能把有毒金屬物質全部氣化；1.3g／cm3C／C復合材料（A）到1.5g／cm3C／C復 合 材 料 （B），密 度 只 增 加 了 0.2g／cm3，2800～3200℃石墨化再處理4h累計高溫處理8h（即原始1.3g／cm3C／C復合材料部分高溫處理累計8h，新增的0.2g／cm3C／C復合材料高溫處理處理4h）；1.7g／cm3（C）同樣道理，高溫累積處理12h（即原始1.3g／cm3C／C復合材料部分高溫處理累計12h，第一次新增的0.2g／cm3C／C復合材料高溫處理累計8h，第二次新增的0.2g／cm3C／C 復合材料處理 4h）；1.7g／cm3（D）高溫處理累計16h。由于在C／C復合材料基體制造過程中、碳氫氣體的純度等原因造成C／C復合材料含有各種雜質。Al的熔點為660℃、沸點2467℃，Cr的熔點為1857℃、沸點2672℃，Cd的熔點為320℃、沸點765℃，Pb的熔點為327℃、沸點1740℃，Hg的沸點356℃，都低于 C／C復合材料4100℃的熔點，因此利用C／C復合材料耐高溫的特點可以把其含有的金屬物質溶解、甚至氣化，達到祛除有毒金屬元素物質的目的。隨著高溫熱處理時間的延長（從12～16h），C／C復合材料上的雜質含量繼續減少，但不能提高成骨細胞的生長數量，兩者C／C復合材料表面成骨細胞形貌相似，由于高溫熱處理的成本較高，因此認為12h為最佳的高溫熱處理時間。

第8天時，A，B兩者材料表面細胞數都較少，A材料表面細胞數（700個左右）大于B材料表面細胞數（300個左右），但B復合材料中元素含量均低于A，產生這種現象的原因有可能細胞受到材料毒性一段時間刺激后，細胞產生一定的增殖反應。但對于整個實驗來說（C材料表面19500個細胞數），300與700個細胞數量造成的差異沒有統計學意義。

本研究依據中華人民共和國國家標準對醫療器械生物學評價的要求，對C／C復合材料（1.7g／cm3）進行細胞毒性實驗、急性全身毒性實驗、溶血實驗、熱源實驗、肌肉植入實驗等生物學安全性評價研究，認為C／C復合材料的各項生物學性能指標符合國家標準要求，無細胞毒性和全身毒性、無熱源性，具有良好的生物相容性，該研究成果已發表［25］。

3 結論

（1）隨著高溫（2800～3200℃）石墨化處理時間的延長，C／C復合材料毒性物質的種類或含量會去除或減少。

（2）成骨細胞在12，16h高溫處理后的C／C復合材料表面生長良好，而在4，8h高溫處理后的C／C復合材料表面生長差。

（3）提高C／C復合材料生物相容性的最佳石墨化高溫處理時間為12h。

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