多巴胺改性PCL纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥的制備與表征

閆巖

（四川大學高分子科學與工程學院，四川 成都 610065）

多巴胺改性PCL纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥的制備與表征

閆巖

（四川大學高分子科學與工程學院，四川 成都 610065）

在摻鍶磷酸鈣骨水泥的基礎上，利用多巴胺改性PCL纖維和未改性PCL纖維對其進行增強并表征。制備摻鍶磷酸鈣骨水泥樣條，用多巴胺改性PCL纖維和未改性PCL纖維增強，制得骨水泥樣條，對樣條的凝固時間和力學性能等特征參數進行測定。結果顯示，多巴胺改性纖維增強的骨水泥凝固時間更短，力學強度更高，在一定條件下改善了傳統磷酸鈣骨水泥的缺點。

摻鍶磷酸鈣骨水泥；PCL纖維；多巴胺；凝固時間；力學強度

1 引言

骨缺損指骨的結構完整性被破壞，是臨床常見病。各種因素如創傷、感染、腫瘤、骨髓炎手術清創以及各種先天性疾病導致的骨缺損的修復治療一直是醫學界的難題之一[1]。在早期骨缺損的修復治療的方法主要有自體骨移植、異體骨移植等，但這些方法或因供體來源有限，并發癥多，手術時間延長，或因機體的免疫排斥反應及易導致交叉感染，已漸退出臨床。

20世紀以來，眾多學者進行了卓有成效的研究，人工骨移植的方法被臨床廣泛應用。骨水泥作為人工骨材料的一種，具有可塑性強、可根據缺損部位的形狀任意塑形、可在人體內自固化等優點[2]。但是，骨水泥也有力學性能差、生物降解性能差的缺點。因此，對骨水泥的改性非常必要。

2 實驗部分

2.1 實驗依據。第一代骨水泥聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）類生物相容性差，在固化時會產生高溫，使骨水泥周圍組織壞死，并且在體內降解釋放對細胞有毒性的單體甲基丙烯酸甲酯。另外，它生物相容性差，骨傳導作用差，不利于骨組織的再生。

在80年代中期，由Brown和Chow研制出來了一種新型自固化型人工骨替代材料——磷酸鈣骨水泥。磷酸鈣骨水泥生物相容性良好，可根據缺損部位任意塑形，固化最終產物是羥基磷灰石，其結構與人體骨組織的無機成分相似，具有一定的傳導成骨能力[3]，因此得到廣泛地應用和研究。

但是，磷酸鈣骨水泥力學性能差，脆性大，生物降解性能差，骨傳導作用還有待提高。對于以上磷酸鈣骨水泥的缺點，學者們提出了很多對其進行改性的方法。有學者利用Ca和Sr之間原子半徑和性質的差異，在磷酸鈣骨水泥摻入Sr，使原有的晶格發生畸變，從而改變材料的結晶性和生物降解性，使骨水泥在人體內的降解加快[4]。

經過學者大量實驗，PCL（聚己內酯）纖維生物相容性好，在體內會降解成水和二氧化碳，不會產生對人體有害的物質。而且，在利用PCL纖維增強之后，本身力學強度增加較多，降解也較緩和，因此是增強磷酸鈣骨水泥較好的選擇。

然而，PCL纖維是由己內酯開環聚合得到的，碳鏈上并沒有游離的羥基等親水集團。因此，聚己內酯具有強疏水性。這會導致聚己內酯纖維與骨水泥基體難以緊密結合，對力學性能有較大的影響。所以，在本實驗之前，首先利用多巴胺對PCL纖維進行了表面改性實驗，以改善其疏水性，使其能夠和摻鍶磷酸鈣骨水泥緊密的結合[5]。

將未改性的PCL纖維和經過多巴胺改性的PCL纖維放入樣品室使用JSM-5900LV型掃描電鏡進行觀察，可以看出：涂覆前后纖維表面形貌發生了變化。在涂覆之前，纖維表面纖細光滑，可以通過電鏡分清楚每一根纖維，而且纖維之間的粘結纏繞并不是很多。而在右圖中，可以明顯看到每一根纖維的直徑明顯變大，并且在纖維交叉的地方能夠看見沉積的聚多巴胺。這說明多巴胺成功在纖維表面涂覆。

圖1 PCL纖維與多巴胺改性PCL纖維掃描電鏡圖（3000X）

2.2 PCL纖維對骨水泥理化性能的影響實驗。本實驗過程中將使用SBF模擬體液，模擬體液的配置依據相關文獻進行[6-7]。

2.2.1 摻鍶磷酸鈣水泥的制備

2.2.1.1 無定型摻鍶磷鈣粉末的制備。將二水合磷酸氫鈣，氫氧化鈣，碳酸鍶，按照理想的鈣磷之比為1.67的比值，Sr/（Sr+ Ca）摩爾比為15%的比例，在球磨機中進行球磨混合，球磨的速度為500轉/分鐘[8]。

2.2.1.2 10%摻鍶磷酸鈣骨水泥的制備。將上述無定型磷酸鈣粉末與無水磷酸氫鈣，按照質量比為2∶1的比例混合，作為固相。以2%乳酸殼聚糖溶液為液相，按照液固比為0.55m l/g，將液相與固相進行調和一分鐘，調和均勻之后將骨水泥膏體填入自制的、大小為3mm×4mm×25mm的模具中，在填充過程中進行按壓，用以排出膏體中大部分的空氣，減少空隙。填入模具之后，將模具用玻璃夾片固定，放入溫度37℃、濕度為100%的培養箱中進行固化24h。將固化之后的骨水泥樣條浸泡模擬體液7天。

2.2.2 PCL纖維增強骨水泥的制備過程。將未改性PCL纖維剪裁成為3mm×3mm的大小，按照纖維填入量為1%，2%，5%的比例，依照2.2.1的過程，將骨水泥粉末與乳酸殼聚糖液體混合均勻之后，按照比例加入骨水泥膏體中，混合均勻，填入條形模具中，按壓排出空氣，將模具用玻璃夾片固定，放入37℃，濕度為100%的培養箱中進行固化24 h。之后取出制備好的骨水泥樣條與圓片。并將骨水泥樣條浸泡模擬體液7天。

同樣的，利用多巴胺改性后的纖維和2.2.1制得的摻鍶磷酸鈣骨水泥進行復合，如上述步驟制得骨水泥樣條[9-11]。

2.2.3 測試與表征

2.2.3.1 凝固時間測定。在纖維增強之后，隨著樣條的自固化，樣條逐漸失去流動性和可塑性，最終變為固態的骨水泥。在手術過程中，需要利用骨水泥進行塑性、填充等工作，凝固時間不宜過短；而在手術完成之后，則希望其迅速凝固，具有力學強度。凝固時間可以通過維卡儀來測定。

未經過纖維增強的摻鍶磷酸鈣骨水泥凝固時間在22min左右。對比未纖維增強樣品，PCL纖維增強骨水泥組的凝固時間明顯縮短。在填入纖維量為1%（質量比）時，磷酸鈣骨水泥的凝固時間降低為13min。并且隨著纖維的填入量的增加，骨水泥的凝固時間隨之降低。這是由于乳酸殼聚糖溶液滲透到纖維空隙中，間接造成液固比降低，使凝固時間降低。對比多巴胺改性前后纖維增強磷酸鈣骨水泥的凝固時間，改性之后的骨水泥凝固時間有所降低。這可能是多巴胺改變了纖維表面的疏水性，使液相更多地滲入纖維空隙中，降低骨水泥基體與固化液之間的液固比，使骨水泥凝固時間降低。

圖2 纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥的凝固時間

2.2.3.2 纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥的彎曲強度。對浸泡過SBF溶液的骨水泥樣條進行標準三點彎曲測試，并計算骨水泥樣條的彎曲強度[12]。測得彎曲強度數據。利用彎曲強度數據制圖對比，可得圖3和圖4。

圖3 PCL纖維增強骨水泥的彎曲強度

在圖3中可以看到，0%（即未使用PCL纖維增強）的摻鍶磷酸鈣骨水泥樣品的彎曲強度明顯低于加入了PCL纖維增強之后的摻鍶磷酸鈣骨水泥的彎曲強度。但是，在PCL組分從1%增加至5%時，彎曲強度反而下降。這是因為PCL的疏水性導致它與基體不能夠緊密結合，造成骨水泥內部孔隙增多。因此，在PCL纖維組分增大時，彎曲強度反而下降了。

圖4 多巴胺改性PCL纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥彎曲強度

圖4為多巴胺改性之后PCL增強的摻鍶磷酸鈣骨水泥彎曲強度柱狀圖，依然能夠得到，在PCL纖維增強之后，摻鍶磷酸鈣骨水泥的彎曲強度增大了很多。而且在PCL組分由1%增加到5%時，彎曲強度依然在上升。這是因為多巴胺在PCL表面涂覆之后，改善了纖維表面的親水性，可以使PCL纖維與摻鍶磷酸鈣骨水泥基體緊密結合，充分發揮纖維增強的作用。同時，對比未改性PCL纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥和多巴胺改性PCL纖維增強磷酸鈣骨水泥的彎曲強度，在1%時多巴胺改性后增大了46.2%，在2%時增大了40.7%，在5%時彎曲強度增大了92.3%。這說明，在多巴胺改性PCL纖維能夠更大程度上提高摻鍶磷酸鈣骨水泥彎曲強度。

2.2.3.3 PCL纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥的彈性模量。在試樣上某一方向施加一個恒定的壓力，使試樣產生形變，根據應力與應變算出彈性模量[13]。測得彈性模量數據，制得圖5。

圖5 PCL纖維增強后摻鍶磷酸鈣骨水泥的彈性模量

圖5中，在PCL纖維增強之后，摻鍶磷酸鈣骨水泥的彈性模量反而下降了，這是因為在PCL纖維增強之后，由于PCL纖維的疏水性，PCL纖維與摻鍶磷酸鈣骨水泥之間有空隙，這反而降低了試樣的彈性模量。并且隨著纖維量的增加，彈性模量表現為無規狀態，這是由于PCL纖維為韌性材料，因此，彈性模量的變化不與纖維量的增加成正比。

圖6 多巴胺增強PCL纖維彈性模量

觀察圖6，可以看出在多巴胺改性之后，PCL纖維增強時摻鍶磷酸鈣骨水泥的彈性模量會大幅增加。這是因為多巴胺的粘附作用使得PCL纖維和摻鍶磷酸鈣骨水泥基體間的空隙變得很少，PCL纖維與摻鍶磷酸鈣骨水泥基體間的結合更加的緊密。對比未改性PCL纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥和多巴胺改性PCL纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥的彈性模量，在1%，2%，5%時，彈性模量分別增加了172%，78.5%和139.1%，這是因為多巴胺對纖維改性之后，纖維表面具有一定的親水性，從而纖維與骨水泥之間的結合更加緊密。但是隨著纖維量的增加，彈性模量同樣沒有規律的變化。

2.2.3.4 PCL纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥的斷裂功。斷裂功是材料在斷裂破壞過程中，由于裂紋傳播而形成新的單位面積需要的能量。它是衡量材料抗應力破壞的重要標準，也是骨材料力學性能的重要參數[14]。因為在骨材料臨床使用中，會受到磕碰以及沖撞，骨材料很有可能會產生斷裂或者產生碎片，這對于植入骨材料的病患是非常不利的。而且，摻鍶磷酸鈣骨水泥本身脆性較大，是它的一個主要缺點。如果能夠使其韌性更好，會大大拓展它的應用前景。

在PCL纖維增強骨水泥復合材料中，界面結合方式主要是機械結合，這取決于纖維的表面粗糙度；當骨水泥填充纖維表面的缺損溝槽等物理缺陷時，兩者能夠進行嵌合，使得結合作用加強。

圖7顯示的是為改性PCL纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥的斷裂功。在加入纖維增強之后材料的斷裂功上升，而且隨著PCL纖維含量的增多，斷裂功會大幅增加。如，在PCL纖維組分含量由1%增加到2%時，斷裂功增加了138.9%。這是因為，在纖維加入之后，斷裂實驗時纖維會承受的載荷，能夠分散基體的受力。從而提高斷裂功。而當纖維繼續增加時，這種分散作用就越發明顯，承重的纖維也會越來越多，從而樣品的斷裂功會大幅度上升。

圖8 多巴胺改性PCL纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥斷裂功

圖8顯示了多巴胺改性PCL纖維對于骨水泥斷裂功的增強作用。與上圖相似，在加入了纖維增強之后，骨水泥的斷裂功逐漸提高。這也是由于PCL纖維對于骨水泥受到的力有分散作用，提高了斷裂功。同期對比相同含量下，多巴胺改性之后骨水泥的斷裂功都提高了一倍左右。因為多巴胺改性使纖維與基體之間更加緊密，裂紋更加不容易擴散，材料的斷裂功會更大。

3 結語

經過數據的對比研究，發現改性纖維增強的骨水泥凝固時間更短，力學強度更高，在一定條件下改善了傳統磷酸鈣骨水泥的缺點。同時又繼承傳統CPC的良好操作性、自固化性及骨傳導性等良好性能。本實驗的重要性在于：實驗過程及數據的積累為后期實驗提供了可靠依據。但本實驗并未涉及生物相容性實驗，還有待于進一步的研究及開發。

特別致謝：在實驗課題的遴選、實驗測試、論文撰寫的每個階段，得到了四川大學高分子科學與工程學院余喜訊副教授、碩士研究生黃程程的悉心指導，在此謹向他們表示衷心的感謝！

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R318.08

A

1671-0037（2014）11-100-4

閆巖（1992.7-），男，在讀本科。