磷酸鎂生物骨水泥固化時(shí)間影響因素分析*

馬安博，趙娜娜

(1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空材料工程學(xué)院，陜西 西安 710089；2.西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

磷酸鎂生物骨水泥固化時(shí)間影響因素分析*

馬安博1，趙娜娜2

(1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空材料工程學(xué)院，陜西 西安 710089；2.西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

摘要：在生物體內(nèi)應(yīng)用，磷酸鎂生物骨水泥固化反應(yīng)過(guò)快或者過(guò)慢都會(huì)給使用帶來(lái)不便。研究了氧化鎂煅燒溫度、液固比及環(huán)境溫度對(duì)磷酸鎂生物骨水泥固化時(shí)間的影響規(guī)律，并進(jìn)一步分析了磷酸鎂生物骨水泥的固化機(jī)理及產(chǎn)物。結(jié)果表明：提高氧化鎂煅燒溫度或增加液固比，磷酸鎂生物骨水泥固化時(shí)間延長(zhǎng)；環(huán)境溫度對(duì)骨水泥固化過(guò)程有顯著影響，提高溫度能加快水化進(jìn)程，進(jìn)而大大縮短固化時(shí)間；磷酸鎂生物骨水泥水化產(chǎn)物主要是MgKPO4·6H2O和MgKPO4·H2O，此外還含有大量未參與水化的氧化鎂顆粒。

關(guān)鍵詞：磷酸鎂生物骨水泥；固化時(shí)間；相組成

磷酸鎂生物骨水泥(Magnesium Phosphate Bone Cement，MPC)是一種固化速率快、早期強(qiáng)度高的新型骨膠凝材料，屬于化學(xué)鍵結(jié)合類生物陶瓷范疇[1]。MPC固化時(shí)體積微膨脹[2]，而能使其與骨組織更為牢固的鑲嵌在一起，其水化產(chǎn)物具有良好的生物相容性[3]，且對(duì)生物體無(wú)毒副作用[4]，諸多優(yōu)良的特性使其在不穩(wěn)定骨折治療及人工關(guān)節(jié)假體粘結(jié)固定方面具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，對(duì)于MPC的生物學(xué)行為研究已有相關(guān)的報(bào)道，如Yu Y L等[5]分別采用艾姆斯試驗(yàn)、細(xì)胞微核試驗(yàn)及DNA非常規(guī)合成等手段分別對(duì)MPC有無(wú)致突變性、致畸變性及對(duì)DNA損傷性等性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，具有生物可降解吸收特性的MPC對(duì)生物體是安全的。由此可見，MPC可以被認(rèn)為是一種潛在的硬組織修復(fù)材料。

作為骨修復(fù)材料，固化時(shí)間是骨水泥的一個(gè)重要特性，既要給臨床使用提供足夠的可注射時(shí)間，又要能夠在較短的時(shí)間內(nèi)固化。由于MPC固化反應(yīng)速率極快[6-7]，如用于臨床上，難以保證足夠的手術(shù)操作時(shí)間，也會(huì)影響到產(chǎn)物的最終性能，一直以來(lái)沒(méi)有得到很好的解決；因此，掌握MPC固化時(shí)間的影響規(guī)律，對(duì)調(diào)節(jié)固化時(shí)間具有重要意義。MPC原料包括MgO、磷酸鹽及調(diào)和液，其固化時(shí)間可根據(jù)原料的種類和性能、臨床操作使用情況以及環(huán)境溫濕度等控制。本文主要考察了MgO煅燒溫度、液固比和環(huán)境溫度對(duì)MPC固化時(shí)間的影響規(guī)律，以期找到控制MPC固化時(shí)間的有效技術(shù)途徑，并為其在生物材料領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)與試驗(yàn)支撐。

1試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料包括醫(yī)用級(jí)氧化鎂(MgO，無(wú)錫澤輝化工)、磷酸二氫鉀(KH2PO4，天津天力)及蒸餾水。將經(jīng)過(guò)不同方式處理的MgO與KH2PO4按質(zhì)量比1∶1置于球磨罐中混合均勻，然后將蒸餾水與固相混合粉末按一定液固比在瑪瑙研缽中攪拌均勻，制備出MPC試樣。采用維卡儀測(cè)定MPC固化時(shí)間，考慮到初、終凝時(shí)間間隔很短，試驗(yàn)中主要測(cè)定終凝時(shí)間。采用動(dòng)力學(xué)分析法測(cè)定不同MgO活性，酚酞作為指示劑。采用比表面積測(cè)試儀來(lái)測(cè)定不同煅燒溫度下MgO比表面積。采用X射線衍射儀(XRD—7000型)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行物相分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1MgO煅燒溫度對(duì)MPC固化時(shí)間的影響

MgO煅燒溫度和液固比對(duì)MPC固化時(shí)間的影響曲線如圖1所示。由圖1可以看出，當(dāng)液固比保持不變時(shí)，隨著MgO煅燒溫度升高，MPC固化時(shí)間延長(zhǎng)。當(dāng)MgO煅燒溫度<1 300 ℃時(shí)，MPC固化時(shí)間為2~7 min；當(dāng)煅燒溫度>1 400 ℃時(shí)，所得MPC固化時(shí)間為6~17 min。由此可見，MgO煅燒溫度對(duì)固化時(shí)間影響很明顯。

圖1　MgO煅燒溫度和液固比對(duì)MPC固化時(shí)間的影響曲線

MPC固化時(shí)間與MgO的溶解速率有關(guān)[8]，而MgO的溶解速率受活性及比表面積的影響很大。經(jīng)分析認(rèn)為，這是由于MgO煅燒溫度不同引起其活性及比表面積的變化，從而導(dǎo)致MPC固化時(shí)間的變化。為了表征MgO煅燒溫度對(duì)MgO性能的影響，分別采用動(dòng)力學(xué)分析法和比表面積測(cè)試儀來(lái)測(cè)定不同煅燒溫度下MgO的活性及比表面積。不同煅燒溫度下MgO與檸檬酸反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)曲線如圖2所示。由圖2可以看出，隨著煅燒溫度升高，指示劑顏色變化的時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，表明MgO活性逐漸降低。不同煅燒溫度下MgO比表面積曲線如圖3所示。由圖3可以看出，隨著煅燒溫度升高，MgO比表面積逐漸減小。煅燒溫度越高，晶型越來(lái)越完善，MgO由亞穩(wěn)態(tài)非晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)緊密、晶格完整、缺陷較少的MgO晶體，比表面積減小，表面活性逐漸降低[9]，從而使MgO參與固化反應(yīng)的溶解速率變慢。

圖2　不同煅燒溫度下MgO與檸檬酸反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)曲線

圖3　不同煅燒溫度下MgO比表面積曲線

在其他水化條件相同的情況下，固相混合粉末與蒸餾水混合后，MgO煅燒溫度越高，比表面積越小，活性越低，它在水中的溶解速率越慢，即Mg2+離子釋放速率越慢，水化反應(yīng)速率降低，致使MPC固化時(shí)間延長(zhǎng)；因此，在MPC體系中，可通過(guò)高溫煅燒MgO來(lái)降低其活性及比表面積，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)MPC固化時(shí)間的控制。

2.2液固比對(duì)MPC固化時(shí)間的影響

從圖1還可以看出，當(dāng)MgO煅燒溫度保持不變時(shí)，隨著液固比的增加，MPC固化時(shí)間不斷增加。當(dāng)MgO煅燒溫度為1 400 ℃，液固比為1∶4時(shí)，固化時(shí)間約為6 min；當(dāng)液固比增至2∶3時(shí)，固化時(shí)間為8~15 min，可見液固比對(duì)固化時(shí)間的影響較為明顯。

這是由于不同液固比引起MgO溶解速率和放熱溫度的變化而導(dǎo)致的。MPC反應(yīng)實(shí)質(zhì)是MgO和KH2PO4之間的酸堿中和反應(yīng)[10]，同時(shí)放出大量的熱，而熱量的放出有助于電離向正方向進(jìn)行，進(jìn)而電離出更多的H+和OH-，從而使反應(yīng)加速。在KH2PO4定量條件下，液相的增加使溶液pH值升高(OH-濃度升高)，減緩了MgO的溶解速率，從而使水化反應(yīng)速率變慢，導(dǎo)致MPC固化時(shí)間延長(zhǎng)；此外，由于水的比熱較高，水量的增加可使MPC放熱溫度下降，而溫度的下降促使反應(yīng)速率有所降低，從而進(jìn)一步使MPC固化時(shí)間延長(zhǎng)。因此，在一定范圍內(nèi)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)液固比來(lái)控制固化時(shí)間。

2.3環(huán)境溫度對(duì)MPC固化時(shí)間的影響

環(huán)境溫度對(duì)MPC固化時(shí)間影響曲線如圖4所示。從圖4可以看出，環(huán)境溫度對(duì)固化時(shí)間影響比較大。隨著環(huán)境溫度的升高，MPC固化時(shí)間明顯縮短，這是因?yàn)樘岣邷囟葎t會(huì)使MgO顆粒溶解速率增快，加快了反應(yīng)速度和水化進(jìn)程[11]，進(jìn)而大大縮短固化時(shí)間。

圖4　環(huán)境溫度對(duì)MPC固化時(shí)間的影響曲線

3固化機(jī)理分析

MPC固化反應(yīng)過(guò)程示意圖如圖5所示。MPC固化反應(yīng)主要是是通過(guò)溶解—擴(kuò)散機(jī)制進(jìn)行的[12]。固相混合粉末與水混合后，KH2PO4易溶于水，電離產(chǎn)生K+、H+和PO43-，HPO42-，H2PO4-，而MgO的溶解要緩慢得多，其顆粒受到水與H+的進(jìn)攻后，表面溶解生成Mg2+，Mg2+在水溶液作用下形成Mg(H2O)n2+，最后Mg(H2O)n2+與K+及PO43-作用形成一種無(wú)定形的鎂—磷酸鉀鹽絡(luò)合物水化凝膠。隨著磷酸鹽離子逐步溶入并透過(guò)水化產(chǎn)物層，伴隨著產(chǎn)物的不斷形成，體積膨脹，使阻礙層脹破，導(dǎo)致大量磷酸鹽離子與MgO顆粒接觸，迅速形成大量的水化產(chǎn)物。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)物逐漸結(jié)晶析出。由于體系中MgO過(guò)剩,析出的產(chǎn)物覆蓋在MgO顆粒表面及顆粒之間的孔隙內(nèi)，并形成一層水化產(chǎn)物膜，將MgO顆粒緊密地連接成一體[13]。可見，MgO溶解過(guò)程對(duì)MPC固化過(guò)程有很大影響。固相反應(yīng)后產(chǎn)物的XRD衍射圖譜如圖6所示。由圖6可以看出，液固比和MgO煅燒溫度對(duì)產(chǎn)物的相組成影響不大，其所得水化產(chǎn)物均存在大量未反應(yīng)的MgO，此外還出現(xiàn)了KMgPO4·6H2O和少量KMgPO4·H2O。其反應(yīng)方程式如下：

Mg2++ H2O+ [PO4]3-+ K+→ KMgPO4·H2O

(1)

Mg2++ 6H2O+ [PO4]3-+ K+→ KMgPO4·6H2O

(2)

圖5　MPC固化反應(yīng)過(guò)程示意圖

圖6　固相反應(yīng)后產(chǎn)物的XRD衍射圖譜

4結(jié)語(yǔ)

根據(jù)固化過(guò)程分析可知，MgO溶解過(guò)程對(duì)MPC固化過(guò)程有很大影響。提高M(jìn)gO煅燒溫度或增加液固比，致使MgO溶解速率變慢，從而減緩了水化產(chǎn)物的形成，延長(zhǎng)了固化時(shí)間；隨著環(huán)境溫度的升高，MgO溶解速率加快，MPC固化時(shí)間明顯縮短；液固比和MgO煅燒溫度對(duì)產(chǎn)物相組成影響不大，其水化產(chǎn)物主要是MgKPO4·6H2O和MgKPO4·H2O，此外還含有大量未參與水化的MgO顆粒。

參考文獻(xiàn)

[1] 李鵬曉, 杜亮波, 李東旭. 新型早強(qiáng)磷酸鎂水泥的制備和性能研究[J]. 硅酸鹽通報(bào), 2008,27(1):20-25.

[2] Barnes P，等. 水泥的結(jié)構(gòu)和性能[M]. 吳兆琦，等譯. 北京:建筑工業(yè)出版社，1991.

[3] Liu C S. Inorganic bone adhesion agent and its use in human hard tissue: US, 7094286[P]. 2006-08-22.

[4] 吳建國(guó), 俞永林, 劉昌勝, 等. 兩種無(wú)機(jī)骨水泥對(duì)家兔內(nèi)臟毒性的比較研究[J]. 復(fù)旦學(xué)報(bào)：醫(yī)學(xué)版, 2005, 32(6):707-710.

[5] Yu Y L, Wang J, Liu C S, et al. Evaluation of inherent toxicology and biocompatibility of magnesium phosphate bone cement[J]. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2010, 76(2): 496-504.

[6] Ribeiro D V, Morelli M R. Influence of the addition of grinding dust to a magnesium phosphate cement matrix[J]. Construction and Building Materials, 2009, 23: 3094-3012.

[7] 汪宏濤，錢覺(jué)時(shí)，王建國(guó). 磷酸鎂水泥的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2005, 19(12): 46-47，51.

[8] Thomas L. Bio-adhesive composition, method for adhering objects to bone: US, 6533821[P]. 2003-03-18.

[9] 張旭. 氧化鎂的活性影響因素及其應(yīng)用[J]. 河北化工, 2004(2):44-45.

[10] 夏錦紅, 袁大偉, 王立久. 磷酸鎂水泥水化機(jī)理研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 31(9): 25-28.

[11] Ginebra M P, Fernandez E, Driessens F C M, et al. The effects of temperature on the behaviour of an apa-titic phosphate cement[J]. J Mater Sci Mater Med, 1995, 6(6):857-860.

[12] 雒亞莉，陳兵. 磷酸鎂水泥的研究與工程應(yīng)用[J]. 水泥，2009，9(7)：16-20.

[13] 龍安厚, 趙黎安, 周大千, 等. 磷酸鹽水泥的組成與性能[J]. 大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào), 1996, 20(1): 111-114.

* 中國(guó)博士后基金面上資助項(xiàng)目(20100471626)

中國(guó)教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20106118120013)

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(2010JK755)

責(zé)任編輯鄭練

The Research on the Setting Time of Magnesium Phosphate Bone Cement

MA Anbo1, ZHAO Nana2

(1.Aeronautical Materials Engineering Institute, Xi′an Aeronautical Polytechnic Institute, Xi′an 710089, China;

2.School of Materials Science and Engineering, Xi′an University of Technology, Xi′an 710048, China)

Abstract：In vivo applications, curing reaction of magnesium phosphate bone cement is too slow or too fast, which will cause inconvenience to use. Effect of magnesium oxide calcinations temperature, liquid/solid ratio and temperature on the setting time of magnesium phosphate bone cement are studied. Furthermore, solidifying mechanism and products of magnesium phosphate bone cement are analyzed. The results indicate that the setting time increases as the increase of magnesium oxide calcinations temperature and the liquid/solid ratio. Besides, the influence of the temperature on the setting process of magnesium phosphate cement is significant. And thus, raising the temperature can accelerate the hydration process and shorten the setting time. The hydration products of magnesium phosphate bone cement are mainly potassium magnesium phosphate hexahydrate and potassium magnesium phosphate monohydrate. In addition, it also contains a large number of particles not involved in the hydration of magnesium oxide.

Key words:magnesium phosphate bone cement, setting time, phase composition

收稿日期：2015-01-07

作者簡(jiǎn)介：馬安博(1986-)，男，助教，主要從事生物醫(yī)用材料等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TB 321

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A