羧甲基纖維素復合硅酸鈣骨水泥的理化性能和體外生物活性研究

謝洪海，王玉清

(1.山東魯泰環保建材有限公司，山東 魚臺 272350；2.濟寧市高級職業學校，山東 濟寧 272100)

陶瓷作為生物材料廣泛用于骨修復，骨填充和人造骨等[1]，但由于其應用具有一定的局限性，如脆性等。所以，通過結合生物活性陶瓷細顆粒和有機聚合物，可以得到類似于自然骨力學性能的生物骨修復材料。已制備出含有生物活性陶瓷填料和有機聚合物的一些復合材料，用作骨填充和替代材料[2-5]。研究表明：CaO-SiO2基陶瓷水泥具有良好的生物活性，可以通過復合高分子材料來進行改性[6-8]。

為確保臨床的可操作性，固化時間是臨床上最重要的參數之一。目前臨床應用，如根管倒充填/封口沒有規定的標準凝結時間，要求必須是適當的，足以保證順利的進行手術治療[9]。粉體與水混合后注入到患者體內，由于放置在硬骨組織中，凝結時間過長，水泥無法維持所需形狀以及支撐力很慢起到作用，這可能會導致臨床問題[10]。但凝結時間過短則沒有足夠的臨床操作時間來完成手術。劉易斯[11]建議可注射骨水泥的凝結時間大約為15min，比較適合用于骨填充、椎體成形術和后凸成形術。

采用溶膠-凝膠法合成硅酸鈣粉體，用CMC來改性硅酸鈣骨水泥，并對其凝結時間，抗壓強度及其體外礦化進行研究，用XRD，FTIR 和SEM進行表征。以得到適用于臨床應用的硅酸鈣骨水泥材料。

1 實 驗

1.1 粉體和水泥的制備

采用溶膠凝膠法制備粉體[12]。試劑級的Si(OC2H5)4(以SiO2計≥28.4%)和Ca(NO3)2·4H2O(純度≥99.0%)分別作為SiO2和CaO 的前驅物；HNO3作催化劑；無水乙醇為溶劑。CaO/SiO2的摩爾比為3:7 到7:3。整個實驗中燒結粉體和水泥的代碼相同，如表1 所示，如C30S70 表示CaO/SiO2的摩爾比為3:7 的樣品。實驗中，TEOS:(HNO3+H2O):C2H5OH 的摩爾比為1:10:10。在Si(OC2H5)4中依次加入2mol/L 的HNO3，乙醇和所需量的Ca(NO3)2·4H2O，分別攪拌1h。得到的溶膠放在聚四氟乙烯燒杯中，密封并在60℃的干燥箱中陳化2d。溶劑在120℃干燥箱中蒸發后得到干凝膠，干凝膠在高溫爐中800℃熱處理2h，然后隨爐冷卻至室溫得到粉體。

燒結的粉體加入一定比例的乙醇，在行星式球磨機(CQ-QM2L)中濕磨12h，然后在60℃干燥箱里干燥得到備用粉體。添加0.05%,0.10%,0.20%CMC 到C50S50 粉體中，制備出水泥的代碼為0.05% CMC/C50S50，以此類推。粉體和蒸餾水按照一定的液固比(0.5ml/g)制備成均勻的水泥，在不銹鋼模具(Φ6mm×12mm)中成型。特此指出，浸泡實驗部分用的樣品尺寸為：Φ6mm×3mm。水泥混合后放在37℃，相對濕度為100%的恒溫恒濕培養箱。

1.2 測試與表征

樣品的X 射線衍射(XRD)分析在X’Pert PRO型X 射線衍射分析儀上進行；用S4800 型冷場發射掃描電鏡對樣品進行掃描電鏡分析(SEM)；用NEXUS 670 傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)進行紅外測試；根據ISO 9917，用直徑為1 mm 的吉摩爾針(Gillmore needle，B-001)測定凝結時間，終凝時間是指從混合開始到吉摩爾針不能在樣品上留下1mm 深度的這段時間，取8 個試樣進行平行測試；用CMT6203電子萬能材料試驗機測試樣品抗壓強度，至少取20 個試樣來進行測定水泥水化1d 后的抗壓強度；用PHSJ-3F 酸度計測試浸泡前后溶液的pH 值。測試所得數值為平均值±標準偏差。

2 結果與討論

2.1 粉體的XRD 和FT-IR 分析

圖1a 顯示了5 個CaO-SiO2燒結粉體的XRD圖譜。從圖中觀察到，起始原料中Ca/Si 摩爾比決定了相的演變。在2 θ=32-34°之間廣泛而彌散的峰對應的是β-Ca2SiO4(JCPDS 29-0371)相。2θ 為37.5°處的衍射峰是CaO (JCPDS 78-649)相。隨著原料中CaO 含量的增多β-Ca2SiO4和CaO 相的衍射峰均逐漸變強。由此可見，先驅體中CaO 含量起著重要的作用。

圖1 在800 ℃燒結硅酸鈣粉體的XRD 和FT-IR 圖譜Fig.1 XRD (a) and FT-IR (b) patterns of calcium silicate powders sintered at 800°C

燒結粉末FT-IR 光譜的趨勢類似于XRD 所表明的趨勢。如圖1b 所示，來自大氣碳化的CO32–基團的振動導致了1550 和1380cm–1之間波帶的產生。對CaO 含量少的樣品(C30S70)，波數范圍為1300-900cm–1之間廣泛的紅外吸收帶是SiO4的不對稱伸縮振。550-500cm–1波段源于硅氧烷主鏈上的振動[13]。隨著CaO 含量增加直到等摩爾的鈣硅比，檢測到Si-O-Si 不對稱伸縮振動譜帶明顯的增寬并轉移到較低頻率。表明樣品的結構變得稍微有序，是由于CaO 的摻入到二氧化硅網格，導致了局部的對稱性下降[14]。相反，當CaO 含量大于SiO2含量，在860 和970cm–1處出現兩個新的波帶，這與Si-O 對稱伸縮振動有關，此振動是一個非橋硅-氧鍵(Si-O-NBO)[16]。Ca2+作為網絡改性劑存在于硅酸鹽中，這導致了玻璃狀網絡連續性中斷，是因為一些Si-O-Si 鍵的斷裂，從而導致Si-O-NBO的形成[14,15]。粉末的XRD 和FTIR 結果一致表明，鈣含量在很大程度上影響了相的演變。

2.2 水泥的XRD 和FT-IR 分析

圖2a 顯示了粉末與蒸餾水混合水化1 天后的XRD 圖譜。在2 θ=29.4°處衍射峰對應的是水化硅酸鈣(Calcium silicate hydrate,CSH,JCPDS 29-378)，以及未完全反應的無機組成相β-Ca2SiO4(JCPDS 29-0371)和少量的CaO (JCPDS 78-649)。水泥中CSH 的含量隨著先驅物中Ca/Si 比增高而增多。據推測，這些產物和硅酸鈣骨水泥的硬化機理有關，可用β-Ca2SiO4相的含量影響CSH 凝膠來解釋這個結果。最終水化產物中CSH 含量高表明，水泥在較短時間內凝結，進行較快的水化反應[16]。且2 θ=37.5°處對應的衍射峰是CaO 相，混合水后CaO相減少，這也有助于縮短凝結時間[17]。如圖2b 所示，水泥的FT-IR 光譜與XRD 的趨勢類似。且水化后樣品的紅外光譜和對應粉體的紅外光譜(圖1b)基本一致，而且水化后并沒有新的波帶產生。

圖2 硅酸鈣骨水泥水化1 天后的XRD 和FT-IR 圖譜Fig.2 XRD (a) and FT-IR (b) patterns of calcium silicate bone cements after 1 day of hydration

2.3 凝結時間和抗壓強度

硅酸鈣骨水泥的組成，凝結時間和抗壓強度如表1 所示。由表1 可以看出，液固比相同的情況下，隨著CaO/SiO2摩爾比的增大，凝結時間趨于縮短。這表明原始材料中CaO 的含量越多，水泥的凝結速度越快。原料中 CaO 含量增多，β-Ca2SiO4含量增多，隨之水化產物CSH 增多，這樣導致水化快速進行，凝結時間縮短。由此可知，CaO 的含量的多少是影響水泥凝結時間和抗壓強度的關鍵因素。粉末的粒徑，燒結溫度，液相和組成，以及液固比都對水泥材料的凝結時間起到關鍵的作用[17]。粉末和液體以一個合適的液固比進行混合成水泥。表1 顯示，沒有摻雜的5 個水泥中，強度則是先增大后降低。

CaO 含量最少的樣品C30S70 的強度只有0.94 MPa，而CaO 含量最多的樣品C70S30 的強度也只達到4.87MPa。未摻雜水泥中，C50S50 水泥的強度則達到最大值15.53MPa。這可能是因為水泥表面結構的差異，如水化產物的孔隙率在水泥的力學性能上發揮了至關重要的作用[18]。

選擇凝結時間短，強度相對較高的C50S50 粉體，添加CMC 來進行改性。加入0.05%，0.10%和0.20% CMC 到β-Ca2SiO4中，凝結時間明顯縮短至18min，15min 和13min，其抗壓強度也隨著CMC 的增多有所變大。添加0.10% CMC 的樣品與對照的C50S50 水泥相比，凝結時間明顯縮短很多，而且抗壓強度也由原來的15.53MPa 增大到18.84MPa。這可能是因為CMC 發揮了其粘稠劑作用，容易吸水使凝結速度加快，隨著加入量的增多凝結時間呈減少趨勢。加入少量的CMC 粉體分散在樣品內部，吸水膨脹可能會引起水泥樣品的孔隙率增大，故CMC 摻量0.05%的樣品和空白樣相比，抗壓強度略有降低。當摻入適量(0.10%)的CMC 時，CMC 結合的水分隨樣品水化的進行不斷減少，最終會在樣品內部形成網狀聚合物膜，改善β-Ca2SiO4顆粒及水化產物之間的緊密結合程度，使強度增加；而當CMC 摻量過多，CMC 包裹β-Ca2SiO4顆粒表面，并形成一層弱界面層，且阻礙β-Ca2SiO4的水化，使水化試樣不能形成堅實的結晶骨架，對強度發展不利[19,20]。

表1 硅酸鈣骨水泥和混合骨水泥的組成，液固比，凝結時間和抗壓強度Tab.1 Composition (molar ratio),setting time (St) and compressive strength (Cs) of calcium silicate bone cements and doped cements

2.4 體外礦化實驗

表2 顯示了含0.10% CMC 的骨水泥樣品在SBF 中浸泡不同時間后溶液的pH 值變化。從表2中可以觀察到，樣品浸泡1d 后，溶液的pH 值上升，3d 后呈下降趨勢，7d 到15d 趨于穩定。整體上pH 值變化接近中性，未引起環境pH 值的大幅波動。溶液中H3O+進入水泥表面導致溶液中OH-相對濃度增高，從而使溶液的pH值增至7.51-7.94。這也證實了摻雜0.10% CMC 硅酸鈣骨水泥水化過程比較溫和，不易引起環境pH 值的大幅變化，從而能夠避免對周圍組織產生不良影響。

表2 樣品0.10% CMC 硅酸鈣骨水泥浸泡SBF 中不同時間后溶液的pH 值Tab.2 PH values of SBF solution after being soaked with the calcium silicate bone cements containing 0.10% CMC for different periods of time (0,1,3,7,15 d)

含0.10% CMC 的硅酸鈣骨水泥在SBF 中浸泡前后的XRD 圖譜，如圖3 所示。浸泡SBF 前，只存在 CSH (JCPDS 29-378)和 β-Ca2SiO4(JCPDS 29-0371)相。而浸泡在SBF 溶液中不同時間后，所有浸泡的樣品均產生羥基磷灰石(Hydroxyapatite,HAp,JCPDS 24-0033)特征峰(2 θ=31.4°-32.6°)，且CSH 的峰隨著浸泡時間延長而逐漸增強，但是β-Ca2SiO4相峰在浸泡后逐漸消失。與沒有浸泡的試樣對比，浸泡后樣品的CSH 峰逐漸增強，是因為SBF 溶液中的水與水泥更充分的反應，形成更多的CSH[21]。HAp 的形成是因為SBF溶液中PO43-與Ca2+和OH-反應的結果[21]。

圖4 顯示了含0.10% CMC 的硅酸鈣骨水泥在SBF 溶液中浸泡前后的SEM 圖片。明顯觀察到所有浸泡后試樣的表面上均有球狀的HAp 沉積。隨著浸泡時間的延長，HAp 球晶出現增多，且其尺寸大小和含量均不同，尤其是浸泡7 天后，HAp層更明顯的覆蓋在樣品表面。之前研究提到，材料浸泡在SBF 溶液后，其表面檢測到的磷灰石是為了用來預測材料體內的生物活性[22]。CaO-SiO2基水泥的體外礦化實驗表明，組合物中磷的存在不是磷灰石層形成的必要條件，因為磷來源于體外實驗的溶液中[24]。早期報道也證實了，在作為有效磷灰石成核劑的Si(Si-OH 凝膠)和作為磷灰石沉淀加速劑的Ca 之間產生了協同作用，這導致磷灰石快速沉積[23,24]。

圖3 含0.10% CMC 硅酸鈣骨水泥浸泡在SBF 中0，1，3，7，15 天后的XRD 圖譜Fig.3 XRD patterns of calcium silicate bone cement containing 0.10% CMC before and after immersion in SBF for different periods of time (0,1,3,7,15 d)

3 結 論

本研究通過溶膠-凝結法合成的CaO-SiO2粉體與蒸餾水混合后，5 個水泥結果顯示C50S50 水泥的凝結時間相對較短，抗壓強度較高。用不同含量的CMC 來改性C50S50 粉體，結果表明，添加0.10%CMC 使混合水泥的凝結時間縮短，強度提高，且具有優異的生物活性，滿足了臨床上的操作要求，有望用于根管治療以及椎體成形術的應用。