碳酸化羥基磷灰石骨水泥的開發(fā)與多孔化研究△

1、碳酸化羥基磷灰石骨水泥的開發(fā)與多孔化研究【摘要】目的應(yīng)用無機化學(xué)材料合成碳酸化羥基磷灰石骨水泥，并通過發(fā)泡成孔的新方法制備能原位固化形成多孔結(jié)構(gòu)的無機植骨材料。方法(1)以碳酸鈣、磷酸氫鈣等化學(xué)試劑為原材料，通過高溫?zé)Y(jié)合成碳酸化羥基磷灰石粉體。再以磷酸氫二鈉和磷酸二氫鈉合成濃度為0.2 mol/L的磷酸鈉緩沖液，作為固化液。粉體與固化液以1 g/0.4 ml相混合，原位固化形成碳酸化羥基磷灰石;(2)在碳酸化羥基磷灰石粉體中加入成孔劑，成孔劑在骨水泥固化過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，由此形成多孔碳酸化羥基磷灰石骨水泥;(3)通過化學(xué)成分、化學(xué)結(jié)構(gòu)、力學(xué)強度、固化時間、孔隙率等檢測，對其

2、理化性能、可操作性能和組織相容性進(jìn)行評估。結(jié)果所合成的碳酸化羥基磷灰石骨水泥原位固化性能好，固化時間為1215 min，可操作性能強；化學(xué)成分分析發(fā)現(xiàn)，其固化產(chǎn)物中含有5.6的碳酸根成分，與天然骨的礦物相類似；孔隙分析表明，材料的孔隙之間相互貫通，孔隙率為36；力學(xué)測試結(jié)果顯示，材料的抗壓強度為4.32.6 MPa，相當(dāng)于松質(zhì)骨的力學(xué)強度；細(xì)胞毒性實驗證明，該材料具有優(yōu)秀的組織相容性。結(jié)論多孔碳酸化羥基磷灰石骨水泥的化學(xué)成分、理化性能、孔隙結(jié)構(gòu)均與天然的松質(zhì)骨相似，組織相容性良好，可作為無機植骨材料。 【關(guān)鍵詞】 碳酸化羥基磷灰石； 骨水泥； 多孔； 原位固化 Porosity study o

3、f the carbonated hydroxyapatite cementTANG Pei-fu, YAO Qi, HUANG Peng，et al. Department of Othopaedics, General Hospital of Chinese Peoples Liberation Army, Beijing 100853, China Abstract：ObjectiveTo compose carbonated hydroxyapatite cement with chemica l materials, and by adding the pore agent to d

4、evelop a new bone substitute, which can be solidified in situ to form porous carbonated hydroxyapatite.Method(1)A new type of carbonated hydroxyapatite cement (CHC)was prepared. The powder of cement was composed of calcium carbonate, tricalcium phosphate and calcium phosphate dibasic. The liquids we

5、re prepared by 0.2mol/L sodium phosphate buffer, solide phase to liquid phase was 1g to 0.4 ml; (2)To prepare an in situ setting porous carbonated hydroxyapatite cement，add the pore agent into the powder of cement,pore generate CO2 during situ setting of cement; （）The chemcial composition, chemcial

6、constitution mechanical property, setting time ,interval porosity of the PCHA were tested. and then the physio-chemical character,manipulatity, histocompatibility were evaluated.ResultAddition of pore agent could succeed to prepare a new bone substitute which could set in situ and transform into por

7、ous carbonated hydroxyapatite. The setting time was 1315 minutes which was suitable to clinical application. The pore size and porosity character could be controlled by adjustment of the component. The checking results demonstrated that the self-setting composition of this cement was carbonated hydr

8、oxyapatite which was similar with the mineral phase of natural cancellous bone,the carbonic acid radical was 5.6 in the solidify production. Contain of the porosity was 36% with interconnect pore, the compressive strength was 5.62.2 MPa which was equal to strength of cancellous bone, and the cytotox

9、icity tests showed an exellent biocompatibility.ConclusionThe porous carbonated hydroxyapatite cement is a good bone substitute which seems to be the cancellous bone with good porosities, exellent biocompatibility. Key words：carbonated hydroxyapatite; cement; porous; setting in situ 碳酸化羥基磷灰石骨水泥（carb

10、onated hydroxyapatite cement, CHC）是一種新型的無機植骨材料。CHC固化產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)中含有碳酸根，與天然骨的羥基磷灰石晶體結(jié)構(gòu)類似，因此與磷酸鈣骨水泥（calcium phosphate cement, CPC）相比，CHC的體內(nèi)降解速度加快，組織相容性更好1。然而，CHC缺乏天然骨的多孔結(jié)構(gòu)，體內(nèi)降解速度仍然較慢，與新骨生長速度并不匹配。開發(fā)一種能原位固化并形成多孔結(jié)構(gòu)的CHC，將加速CHC的體內(nèi)降解，賦予CHC更優(yōu)秀的成骨潛能。本實驗采用產(chǎn)氣制孔的新方法，成功的制備出多孔碳酸化羥基磷灰石骨水泥（porous carbonated hydroxyapatit

11、e cement, PCHC）。通過系列檢測證明PCHC理化性能穩(wěn)定，組織相容性更好。 1 材料和方法 1.1 材料的合成 1.2 PCHC的理化性能檢測 1.3 PCHC的孔隙結(jié)構(gòu)檢測 1.4 PCHC的組織相容性檢測 2 結(jié) 果 2.1 PCHC的理化性質(zhì) PCHC的固化時間為1215 min，能滿足臨床操作要求?？箟簭姸葹?.32.6 MPa，與人松質(zhì)骨強度相當(dāng)。XRD分析PCHC的礦物相為低結(jié)晶結(jié)構(gòu)，與人松質(zhì)骨相似。FTIR檢測顯示，PCHC的固化產(chǎn)物為碳羥基磷灰石，晶格相中含5.6%碳酸根，與人骨4%6%的碳酸根含量相吻合。 2.2 PCHC的多孔結(jié)構(gòu) PCHC的孔隙率為36，158

12、394 m之間的孔隙分布占所有孔隙的46.61，259 m的孔徑分布最高（圖1）。低倍掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，PCHC的孔徑在100400 m之間分布最多，大部分孔與孔之間有100 m左右小孔貫通（圖2）；高倍下觀察孔壁，可見孔壁是由3 m左右細(xì)小顆粒通過瓶頸結(jié)構(gòu)互相連接，伴隨310 m的微孔結(jié)構(gòu)。 2.3 組織相容性 MTT法檢測PCHC的細(xì)胞相對增值率（RGR）結(jié)果與空白對照組沒有差別。說明PCHC對骨髓基質(zhì)細(xì)胞無細(xì)胞毒性作用。圖3示細(xì)胞培養(yǎng)3 d的掃描電鏡結(jié)果：大量的細(xì)胞貼壁生長，細(xì)胞呈不規(guī)則的球形、梭形或多角形，從胞體伸出的偽足長短不一，有的與其他胞體相連，有的伸向孔之間的通道內(nèi)，實驗組PCHC

13、和對照組的細(xì)胞形態(tài)無差別。 3 討 論 1995年Constanz等1成功地將碳酸根加入HA的晶格相中，率先報道了碳酸化羥基磷灰石骨水泥（CHC）的研究成果，在材料界引起了巨大轟動，有人甚至稱之為具有“革命進(jìn)展性”的新材料。與磷酸鈣骨水泥（CPC）相比，CHC不但具有原位固化、隨意塑型、可降解、組織相容性好、無疾病傳播等所有優(yōu)點，而且CHC的晶格相中約46的碳酸根取代了硫酸根的位置。這種取代導(dǎo)致羥基磷灰石晶格內(nèi)存在缺陷，整個晶體尺寸變小，結(jié)晶度降低，溶解度相應(yīng)增加，因而有利于材料的降解2。有研究表明，碳酸根的存在可以使羥基磷灰石的溶解度提高7倍3。本實驗合成的PCHC通過XRD和FTIR分析，

14、證明其固化產(chǎn)物為碳羥基磷灰石，晶格相中含有5.6的碳酸根，與天然骨碳羥基磷灰石晶體結(jié)構(gòu)中46的碳酸根含量相吻合。 理想的骨缺損修復(fù)材料，應(yīng)當(dāng)富有合適的孔隙率和適當(dāng)?shù)目讖??？紫吨g應(yīng)當(dāng)互相連通，從而更好的發(fā)揮骨誘導(dǎo)和骨傳導(dǎo)作用。多孔結(jié)構(gòu)一方面能為骨生長因子、成骨細(xì)胞等生物活性物質(zhì)提供幾何空間,另一方面,有利于體液在材料內(nèi)部流動,與體循環(huán)連通,增加材料與體液的接觸面積,加速材料的降解過程。文獻(xiàn)報道，骨生長、礦化的最適孔徑為 圖1 PCHC的孔徑孔隙率百分比（）曲線 圖2 PCHC掃描電鏡觀察，多孔結(jié)構(gòu)與松質(zhì)骨相似。黑色為孔隙，灰色為孔壁。SE4 圖3 掃描電鏡。PCHC與兔骨髓基質(zhì)細(xì)胞共培養(yǎng)第3

15、d，細(xì)胞貼壁生長活躍。SE 100400 ms，。PCHC的孔隙率為36，其中158394 m之間的孔隙分布占所有孔隙的46.61，259 m的孔徑分布最高（圖1）。低倍掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，PCHC的孔徑在100400m之間分布最多，大部分孔與孔之間有100m左右小孔貫通（圖2）；高倍下觀察孔壁，可見孔壁是由3m左右細(xì)小顆粒通過瓶頸結(jié)構(gòu)互相連接，伴隨310 m的微孔結(jié)構(gòu)。由此可見，PCHC固化后形成的孔隙結(jié)構(gòu)符合骨生長要求。 PCHC獨特的成孔技術(shù)，使其在原位固化的同時形成多孔結(jié)構(gòu)。生物材料的常見成孔技術(shù)是浸漬法和有機質(zhì)填充法。前者是將易溶解物質(zhì)與生物材料混合浸漬，易溶物首先溶解留下空間成孔。后者是

16、將有機質(zhì)與生物材料混合后，通過高溫?zé)Y(jié)去除有機質(zhì)形成多孔結(jié)構(gòu)。上述成孔技術(shù)均為預(yù)制成型成孔法，其共同特點是先將成孔劑與基質(zhì)材料均勻混合，然后制成一定形狀的固體塊，再通過高溫、溶解等方法，除去成孔劑，因而制成了多孔材料。這些材料的優(yōu)點是所形成的孔隙結(jié)構(gòu)均勻，大小一致。缺點是盲孔太多，孔之間的連通性欠佳，材料不能隨意塑型，不能與宿主骨密切貼合，容易被體液沖刷流失，而且降解速度非常緩慢6。如果將這些方法應(yīng)用于CHC，必然使該材料喪失其原位固化的突出優(yōu)點。本實驗采用發(fā)泡劑成孔技術(shù)，制成了PCHC。PCHC在原位固化的同時產(chǎn)生氣體，形成多孔結(jié)構(gòu)，從而避免了預(yù)制成型制備多孔材料的缺點，保留了CHC骨水泥原

17、位固化性能等所有的優(yōu)點。經(jīng)過系列檢測證明，PCHC固化產(chǎn)物與人骨礦物相相同；多孔結(jié)構(gòu)與松質(zhì)骨相似，孔隙率為36，孔之間互相貫通；固化時間為1215 min，能滿足臨床應(yīng)用；抗壓強度為4.32.6 MPa，與松質(zhì)骨強度相當(dāng)；細(xì)胞毒性檢測，組織相容性良好?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】 1 Constanz BR, Ison IC, Fulmer MT, et alSkeletal repair by in situ formation of the mineral phase of boneJ Science， 1995，267: 1796-1799.2 郝立波，毛克亞，王繼芳,等.碳酸化磷灰石與骨界面結(jié)合強度的生物力學(xué)特性研究J.中國臨床康復(fù)，2004，8（20）：3978-3980.3 高月俠，冉均國，茍 立，等.生物活性羥基磷灰石陶瓷J.稀有金屬材料與工程，2002，31：315-317.4 Bong SC, Choon KL, Kug SH. Osteocoduction at porous hydroxyapatite with various pore configurationsJBiomaterials， 2000， 21:1291-1298.5 Tadi