牛骨轉(zhuǎn)化雙相磷酸鈣的制備及表征

宋紹旗++白懿心++張忱一++石艷松++尤東陽(yáng)++郝琪

摘 要：多孔雙相磷酸鈣，即多孔羥基磷灰石HA與β磷酸三鈣β-TCP的復(fù)合物，是近年來(lái)研究廣泛的一種骨修復(fù)材料，用于各類(lèi)骨缺損的修復(fù)，本文研究了牛骨的前處理方法，對(duì)制得的牛松質(zhì)骨進(jìn)行了表征。材料中TCP及TTCP的比例隨著煅燒溫度的升高、時(shí)間的增加而增加，材料中的晶粒也逐漸變大，制品適宜作為骨修復(fù)材料應(yīng)用。本文以新鮮成年牛股骨為原料，采用先酸性、后常規(guī)的浸泡順序模擬植入人體后的環(huán)境變化，研究了多孔BCP材料植入體內(nèi)后沉積類(lèi)骨磷灰石的情況。

關(guān)鍵詞：多孔BCP；煅燒牛骨；雙相磷酸鈣

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.003

1 概述

由腫瘤、傷殘、缺陷等問(wèn)題引起的骨缺損病例日益增多，而移植效果良好的自體骨及異體骨存在著許多局限性，因而開(kāi)發(fā)出一種人工骨骨修復(fù)材料就顯得尤為重要。羥基磷灰石（hydroxyapatite HA）是廣為人知的一種廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物陶瓷材料，其結(jié)構(gòu)式為Ca10（PO4）6（OH）2，它的晶體結(jié)構(gòu)與人體骨骼等硬組織中的生物磷灰石結(jié)構(gòu)相類(lèi)似，大量的實(shí)驗(yàn)證明羥基磷灰石植入體內(nèi)后，其表面會(huì)有積極的生物化學(xué)反應(yīng)，甚至產(chǎn)生骨組織，這證明其具有優(yōu)良的生物活性。羥基磷灰石的急性毒性試驗(yàn)、肌肉刺激實(shí)驗(yàn)、溶血實(shí)驗(yàn)等的生物相容性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明羥基磷灰石是一種無(wú)毒性、無(wú)刺激性、不致熱、不致溶血、不致癌變、不引起肌體排斥反應(yīng)的生物相容性?xún)?yōu)良的材料。同時(shí)羥基磷灰石已經(jīng)被大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)其具有骨傳導(dǎo)性。其缺點(diǎn)在于，在人體很難降解，尤其是人工合成的晶粒尺寸較大的HA材料。磷酸三鈣（tricalcium phosphate TCP）是一種在骨組織工程應(yīng)用很多的可降解生物材料，其有不同晶型，分別為高溫下的γ形，中高溫下的α形，以及低溫下的β形，其中在室溫條件下只存在穩(wěn)定的β-TCP及處于亞穩(wěn)定態(tài)的α-TCP。其成分與骨的無(wú)機(jī)成分相似，具有優(yōu)秀的生物活性及骨傳導(dǎo)性，相比較之下α-TCP在體內(nèi)固化后可以達(dá)到很高的強(qiáng)度，但降解性不強(qiáng)，多用于骨水泥材料的應(yīng)用，而β-TCP是一種在體內(nèi)降解速率很高的材料，并且它的降解促進(jìn)了材料在體內(nèi)生成碳酸羥基磷灰石，從而促進(jìn)蛋白和細(xì)胞的粘附，進(jìn)而促進(jìn)了骨的再生。脆性強(qiáng)，但強(qiáng)度過(guò)低無(wú)法滿(mǎn)足修復(fù)骨缺損的需要，大大的限制了其的應(yīng)用范圍。且其降解生成的Ca2+和PO43-離子不會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生不良影響，甚至可以促進(jìn)骨再生[1]。因此近年來(lái)，BCP雙相磷酸鈣材料，尤其是多孔BCP材料，既多孔HA/β-TCP復(fù)合材料受到了廣泛的關(guān)注。有學(xué)者采用沉淀法、水熱法、溶膠-凝膠法等方法制備出HA、β-TCP粉末，后通過(guò)添加造孔劑法、有機(jī)泡沫浸漬法、有機(jī)骨架復(fù)制法、發(fā)泡法等方法得到多孔HA/β-TCP復(fù)合材料。這些方法存在著制備路線(xiàn)復(fù)雜、孔徑分布不可控等缺點(diǎn)，始終無(wú)法模擬出自然骨的孔隙結(jié)構(gòu)。而經(jīng)牛骨煅燒得到多孔BCP材料工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)保留了天然骨的孔隙結(jié)構(gòu)，也不存在過(guò)多的雜質(zhì)，是一種制備BCP材料的實(shí)用方法。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

本文先對(duì)牛骨進(jìn)行脫脂脫油處理，后經(jīng)馬弗爐煅燒，得到多孔BCP材料，通過(guò)SEM，干燥失重以及尺寸測(cè)量等表征，來(lái)觀察材料的物理性質(zhì)，選擇最優(yōu)的工藝路線(xiàn)。通過(guò)XRD實(shí)驗(yàn)，來(lái)評(píng)價(jià)材料的物相組成，研究煅燒過(guò)程對(duì)牛骨轉(zhuǎn)化成BCP材料HA/β-TCP兩相含量的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了保證在煅燒前去除干凈有機(jī)物，筆者最終采用1mol/LNaOH 60℃浸泡8h，30%雙氧水浸泡12h，無(wú)水乙醇浸泡1h，鼓風(fēng)干燥箱中50℃干燥12h的流程，成功去除牛松質(zhì)骨間的有機(jī)相。

同時(shí)在煅燒路線(xiàn)的選擇上選擇緩慢升溫至500℃，后升溫至1300℃、1350℃、1400℃持續(xù)煅燒，降溫過(guò)程中在1100℃保留1h，后隨爐冷。這樣做既滿(mǎn)足有機(jī)物充分去除，同時(shí)也可以保證材料內(nèi)部不產(chǎn)生裂紋，并且使得α-TCP完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣?TCP。

通過(guò)對(duì)XRD的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，我們得到煅燒后得到的為主要含HA/β-TCP及少量TTCP的多孔BCP材料，隨著煅燒溫度的升高、時(shí)間的增加，羥基磷灰石的分解更充分，材料中TCP/TTCP的比例更高。具體含量見(jiàn)表1。

3 結(jié)論

1）磷酸鈣生物陶瓷的組成與自然骨相類(lèi)似，并且其具有良好的生物相容性，植入人體后可以與新生骨形成牢固的化學(xué)鍵合，其用于骨的修復(fù)及替換是安全有效的。但是，磷酸鈣陶瓷尤其是羥基磷灰石的生物降解性能是不盡如人意的，引入β-TCP以期調(diào)節(jié)材料的生物降解性，從而使植入物最終與新生骨更好的結(jié)合的同時(shí)也提高成骨速率。

2）人們逐漸發(fā)現(xiàn)，多孔磷酸鈣生物陶瓷材料不僅具有骨傳導(dǎo)性，甚至具有骨誘導(dǎo)性，材料自身具備骨誘導(dǎo)性可以促進(jìn)骨重塑過(guò)程，進(jìn)而降低對(duì)材料力學(xué)性能的要求，從而拓寬了整個(gè)材料的選擇及應(yīng)用范圍。同時(shí)，本文還將對(duì)材料骨誘導(dǎo)性的影響因素及內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行討論研究。

3）通過(guò)煅燒牛骨法一步制得多孔BCP材料，該法工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，可以得到純度很高的HA/β-TCP材料，同時(shí)可以通過(guò)控制煅燒路線(xiàn)來(lái)控制HA/β-TCP的比例，并且保留了牛骨的自然結(jié)構(gòu)，是一種理想的骨修復(fù)材料

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭岳華，侯小妹，楊兆雄.多孔羥基磷灰石生物陶瓷的進(jìn)展[J]. 硅酸鹽通報(bào)，1995（03）：20-24.