生物玻璃增强羟基磷灰石陶瓷支架性能研究

郑卫澳大利亚昆士兰科技大学工程系，澳大利亚，布里斯本，4109

生物玻璃增强羟基磷灰石陶瓷支架性能研究

【作者】郑卫澳大利亚昆士兰科技大学工程系，澳大利亚，布里斯本，4109

骨修复材料的选择一直是困扰研发和临床的新问题，主要涉及材料的坚固性以及其生物相容性。磷酸钙陶瓷属于生物活性陶瓷，成为人工骨替代的研究热点，但材料本身的机械强度制约了其发展。在磷酸钙陶瓷里加入生物玻璃不仅增强了它的坚固性，更提高了其生物活性。

生物玻璃，羟基磷灰石，支架强度

目前，越来越多的生物陶瓷被用于人体组织的置换。骨修复一直受材料学所困扰，主要涉及材料的坚固性以及其生物的相容性。磷酸钙陶瓷属于生物活性陶瓷，其主要成分是Ca和P。研究发现，这种材料跟人体骨组织成份的无机物质非常接近[1]，当植入人体后，在体液的作用下，钙和磷会游离于材料表面而被机体组织所吸收，并与人体骨组织发生化学结合，生长出新的组织[2]，因而成为人工骨替代的研究热点，但材料本身的机械强度制约了其发展。生物玻璃不仅增强了磷酸钙陶瓷的坚固性，更提高了其生物活性。本文着重综合分析生物玻璃含量与烧结温度对磷酸钙陶瓷羟基磷灰石（HA）机械强度的影响。

1 生物玻璃

生物玻璃(bioglass)是能实现特定的生物、生理功能的玻璃总称。将生物玻璃植入人体骨缺损部位，它能与骨组织直接结合，起到修复骨组织、恢复其功能的作用。生物玻璃主要成分有Na2O、CaO、SiO2和P2O5，若添加少量其他成分，如MgO2、CaF2则可得到一系列有实用价值的生物玻璃。跟一般的玻璃不同之处就是生物玻璃降低了Si的含量（＜60%），同时增加Na跟P的含量，提高了P/Ca比例。其重要成分里含有磷元素跟钙元素，所以也广泛应用于骨修复[3]。生物玻璃的机械强度低，只能用于承力不大的体位，如耳小骨、指骨等的修复。目前，生物玻璃大多数涂敷于钛合金或不锈钢表面，结合金属的机械强度来作骨置换。

图1 生物玻璃的含量及温度对磷酸钙支架机械强度的影响Fig.1 The content of the bioglass in the Ca/P ceramic and the sintering temperature would inf l uence the scaffold's mechanical strength

2 实验

2.1 将生物玻璃与SiO2、P2O5、Na2O、CaO混合(见图1)，发现煅烧至1200oC时，随着生物玻璃含量的增加，HA支架的机械强度也增强；而煅烧至1300oC时，随着生物玻璃的含量增加，支架的机械强度反而下降[4]。

2.2 Goller等人[5]比较不同生物玻璃，结合煅烧温度，观察生物玻璃加入HA的不同含量对磷酸钙陶瓷机械性能的影响。生物玻璃Ⅰ仅仅是由P2O5 和CaO 两种氧化物在1200oC煅烧而成。生物玻璃Ⅱ则在生物玻璃Ⅰ成分的基础上加入Na2CO3，三种氧化物在1200oC下煅烧形成。从图2可以看到，随着生物玻璃Ⅰ含量的增加，支架的机械强度也随之增强；但在1200oC下煅烧形成的支架强度明显高于在1300oC下所形成的。

图2 生物玻璃Ⅰ的含量及温度对磷酸钙支架机械强度的影响Fig.2 The content of the bioglass I in the Ca/P ceramic and the sintering temperature would inf l uence the scaffold's mechanical strength.

图3 生物玻璃II的含量及温度对磷酸钙支架机械强度的影响Fig.3 The content of the bioglass II in the Ca/P ceramic and the sintering temperature would inf l uence the scaffold's mechanical strength.

从图3与图2比较发现，含有生物玻璃II的支架的机械强度明显低于含有生物玻璃I的支架。但此实验并不能证明，含三种氧化物的生物玻璃复合材料的机械强度就低于含二种氧化物的生物玻璃，只是加入适量的Na2CO3后所产生的结果。同时从图3可以看出，在煅烧至1200℃时随着生物玻璃含量的增加，支架的机械强度增强；在煅烧至1300℃的时，支架的机械强度反而下降。

2.3 Kapoor 等人[6]将CaO、P2O5、Na2O 氧化物混合制备的生物玻璃，发现在煅烧至1250oC时，发现混合支架的机械强度随着生物玻璃含量的提高而增强见图4。

2.4 由SiO、Na2O、CaO、Al2O3、MgO等5种氧化物材料混合制备得到的生物玻璃，被马莉等人[7]用于增强HA烧结的高温粘接剂。从图5可以看出，当生物玻璃含量不变3wt.%的情况下，随着煅烧温度的上升（＜1200oC），支架的机械强度也相应增强。同时从图6曲线显示，在相同温度下，随着生物玻璃含量的增加，磷酸钙支架的机械强度也相应提高。

图4 在相同温度下CaO-P2O5-Na2O生物玻璃的含量对磷酸钙支架机械强度的影响Fig.4 At the condition of same temperature, the content of CaO-P2O5-Na2O bioglass in the CA/P ceramic would inf l uence the scaffold's mechanical strength

图5 在相同含量下温度对磷酸钙支架机械强度的影响Fig.5 At the condition of the same bioglass content within the CA/P ceramic, the temperature would inf l uence scaffold's mechanical strength

图6 在相同温度下生物玻璃对磷酸钙支架机械强度的影响Fig.6 At the condition of same temperature, the content of bioglass in the CA/P ceramic would inf l uence the scaffold's mechanical strength

3 讨论

3.1烧结温度对磷酸钙陶瓷性能和强度的影响

在烧结初期，颗粒之间开始只有点接触，但是随着温度的升高，一方面羟基磷灰石（HA）内部颗粒增大，颗粒间接触面积扩大，并且由于表面能的作用使颗粒聚集，体积收缩，气孔率减少，致密化程度升高；另一方面，生物玻璃在700oC时开始软化，从玻璃固体相逐渐熔化成玻璃液相。在高温和表面能的作用下，玻璃液相以空隙作为通道，通过表面扩散和流动等物质迁移形式，在HA颗粒或团聚体表面形成一层液相膜，促进HA颗粒及团聚体的移动和重排，以达到最密实的排布，从而使样品体积收缩，气孔率减少，致密化程度升高，这样就导致了样品强度的增强。而在1300oC时，随着温度的上升，部分HA与生物玻璃发生反应，致使原料中的羟基磷灰石缺钙，而缺钙HA由于不稳定，部分HA逐渐转变成β-磷酸钙(β-TCP)相。注意到图1实验曲线与图3实验曲线所使用的生物玻璃都含有钠的氧化物，高温下会形成以TCP为基的钠的化合物，此化合物的机械强度相对较差，从而影响了整个多孔材料的机械性能。同时注意到图4实验曲线与图5实验曲线同样使用了氧化钠作为生物玻璃的添加成分，但其烧结温度为均为1250oC（＜1300oC），不会影响整体材料的机械性能。

3.2生物玻璃含量对多孔生物陶瓷性能和强度的影响

在烧结温度相同的情况下，随着生物玻璃含量的增加，多孔陶瓷样品的收缩率逐渐减小，孔隙率逐渐减小，抗弯强度逐渐增大。这是由于添加生物玻璃会在样品烧结时产生液相，坯体内的陶瓷颗粒会受到毛细管力的作用以及液相本身的粘性流动，使颗粒调整位置、重新分布以达到最密实的排布，故使样品逐渐致密化，即孔隙率减小。同时，液态生物玻璃可以修复HA在风干时所形成的裂痕，从而提高多空支架的机械强度。

3.3生物玻璃成分对多孔生物陶瓷性能和强度的影响

以上6个实验分别用6种不同的生物玻璃测试，不能得出某种生物玻璃是最适合增加机械性能的材料。但生物玻璃中所含有的成分会影响其机械性能。在图3所示的实验曲线中减少了CaO，增加了Na2CO3,不能得出两种氧化物合成的生物玻璃一定比三种氧化物合成的生物玻璃具有较好的机械性能的结论，而在图3所示的实验曲线中可以发现，Ca的含量直接影响生物玻璃的机械性能，从而影响多孔陶瓷支架的机械强度。

4 结论

不同实验者由于所使用的材料与支架不同，虽然最终的具体数值不存在可比性，但从他们所得到的实验曲线趋势可以反映温度以及生物玻璃的含量对HA多孔陶瓷机械性能的影响。

4.1 生物陶瓷在煅烧至1200oC时，支架的机械强度随着生物玻璃量增加而增强；而当在1300oC情况下，支架的机械强度反而因为生物玻璃量的增加而降低。

4.2 生物玻璃含量对多孔生物陶瓷的物相组成也有一定的影响，但影响较小。此外，生物玻璃的加入使样品的机械性能强度明显提高。

4.3 生物玻璃的组成成分对多孔陶瓷性能跟其含有的成分有较大影响。

[1] Suchanek W, Yoshimura M; Processing and properties of hydroxyapatite- based biomaterials for use as hard tissue replacement implants [J]. Mater Res. 1998. 13: 94–117.

[2] 张爱娟. 模拟体液中类骨羟基磷灰石的合成[J]. 山东大学学报, 2010, 40(3) :86-89.

[3] Shi DL. Biomaterial and Tissue Engineering [M]. Springer. New York. 2004.

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[7] 马莉, 周科朝, 李志友, 等. 生物玻璃增强多孔羟基磷灰石生物陶瓷的制备及其性能[J]. 中国有色金属学报, 2008, 18(10): 1886-1892.

高效肝脏细胞培育技术

日本东京工业大学应用胚胎干细胞高效培育肝脏细胞的技术，能够使90%的小鼠胚胎干细胞发育成肝脏细胞，效率比先前的方法提高了9倍。

原来的培养方法，胚胎干细胞往往容易黏结成团块状，影响培养效率。如果用药物将团块分散开，容易损伤细胞。新技术的是利用特殊的培养基，使胚胎干细胞在互相分离、不黏结的状态下有效培育出均一的肝脏细胞。

培养基是利用能把细胞黏结在一起的“E钙粘蛋白”，与特殊的抗体组合来制作的。细胞很容易附着在这种培养基上，而细胞之间难以结合在一起。将小鼠的胚胎干细胞均匀分布在培养基上，并添加促进其分化成肝脏细胞的生理活性物质，可以均匀地接触到每个胚胎干细胞，从而大幅提高了效率。一般培养约20天后，有93%的胚胎干细胞发育成了肝脏细胞。

（本刊讯）

Research in the Performance of the HA Ceramic Scaffold Added with Bioglass

【Writer 】Zheng Wei Engineering Department, Queensland University of technology, Brisbane, Australia 4109

Bioglass, HA, scaffold mechanical strength

R318.01；TP391.9

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2011.02.007

1671-7104(2011)02-0100-03

2010-09-14

郑卫，E-mail: 13905862362@163.com

【 Abstract 】Selecting appropriate bone repair materials has been an issue in the area of research and development as well as clinical applications. The main concerns are the mechanical strength of the material as well as the biocompatibility of the material. Ca/P(calcium phosphate) ceramic belongs to the group of bioactive ceramic. It has become the central focus of alternative arti fi cial bone research. However, the mechanical strength of Ca/P ceramic has limited its further development. Adding bioglass to Ca/P ceramic has not only increased its mechanical strength, but also improved its bioactivity.