表面修饰HA/PMMA 复合骨水泥的制备及力学性能研究

谢胜芬 刘珍珍 肖燕萍 刘惠 陈能 广东省医疗器械质量监督检验所三水中心 （佛山 528137）

骨水泥是一类重要的骨修复材料，常用于修复各种由骨质疏松引发的骨缺损。骨水泥通常由固、液两部分组成，在室温下混合后可任意塑型，经过化学反应或物理作用，迅速固化，且固化后具有一定的力学强度。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）类骨水泥是一类得到临床应用的骨水泥，具有良好的理化和力学性能，可塑性强等优点，但是也存在放热过高、生物活性差等缺陷[1]。为改善PMMA 骨水泥材料的生物活性，可在PMMA 骨水泥中掺入一定比例的纳米羟基磷灰石（HA）[2]。HA 具有良好的生物相容性、骨传导作用和骨诱导性[3]，能与骨骼很好的结合，亦可有效地促进骨骼的生长[4,5]。另外，HA 具有较高的抗压能力，可作为骨科材料的增强体[6]。但由于HA 比表面积大、表面活性高，容易发生团聚[7]，可通过偶联剂表面修饰，改善HA 在基体中的分散性和稳定性，提高HA 与PMMA 基体之间的相容性，使其内部结构更加均匀，从而制备出生物性能和力学性能优异的复合型骨水泥。本文将经过无规聚合物P(MMA-co-MPS)（MPS 为硅烷偶联剂）修饰的HA、掺入到PMMA 中形成HA/PMMA 复合骨水泥，研究了复合骨水泥的压缩强度、弯曲强度、弯曲模量等力学性能，利用MTT实验测试了HA/PMMA 复合骨水泥细胞毒性。

1.原料与试剂

甲基丙烯酸甲酯（MMA，AR）购于天津大茂化学试剂厂；过氧化苯甲酰（BPO，AR）购于上海国药试剂厂；硅烷偶联剂(MPS，AR)购于南京道宁化工有限公司；N,N- 二甲基对甲苯胺(DMT，AR) 由上海阿拉丁试剂公司提供；DMEM 购于Hyclone；人成骨细胞（hFOB1.19）购于中科院细胞库；聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），由中山大学提供，其重均分子量Mw=5.6×105g/mol；经P(MMA-co-MPS)表面修饰的羟基磷灰石(P(MMA-co-MPS)-HA)由中山大学提供，P(MMA-co-MPS)的质量分数分别为0%、16.8%和64.7%，分别记为HA-0、HA-1 和HA-2，P(MMA-co-MPS)的重均分子量Mw=3.2×104g/mol。其他试剂均为市售分析纯。

2.实验方法

2.1 复合骨水泥的配制

骨水泥分为固体组分和液体组分，固相组分中包含HA-n、PMMA 和BPO；液相组分中包含MMA 和DMT。在23˚C 下，将骨水泥的固体组分和液体组分按照一定的比例混合后搅拌均匀，灌入模具进行固化，制成HA-n 的质量分数为0%、5%、10%和15%的骨水泥样品。将完全固化后的样品取出，再打磨成规定的尺寸。各组分混合的具体含量见表1。不同修饰程度的HA 与PMMA 复合形成的骨水泥记为HA-n/PMMA(n=0、1、2)，其 中HA-0/PMMA 为 未 经P(MMA-co-MPS)修饰的HA 与PMMA 复合形成的骨水泥。

2.2 骨水泥的力学性能表征

骨水泥的力学性能测试参照国际标准ISO 5833 进行，其具体方法如下：

（1）压缩性能。骨水泥样品制成长为12mm，直径为6mm 的圆柱体，利用万能材料试验机进行测试，加载速率为5mm/min，记录样品形变为2%时的负载，将其除以横截面积，即可求得骨水泥样品的压缩强度。

（2）弯曲性能。将骨水泥样品制成长75mm，宽10mm，厚3.3mm 的样条，并在37±1˚C 水浴中浸泡48h 以上，再进行三点弯曲实验；测试时跨距l=60mm，拉力机加载速率为5mm/min，记录断裂时的力及其位移曲线图，计算可求得弯曲模量及其弯曲强度，并求其平均值。

弯曲强度按公式σF(MPa)计算，弯曲模量按公式EF(MPa)计算：

式中：F—断裂时的力，单位N，l—试件的跨度，单位mm。

h—试件的厚度，单位mm，b—试件的宽度，单位mm。

ΔF—载荷值增量，单位N，Δf—中点挠度与ΔF 值所对应的增量，单位mm。

2.3 细胞毒性实验表征

利用MTT 实验来对复合型骨水泥的细胞毒

表1 合成复合骨水泥的各组分配比

在48 孔板中接种人成骨细胞（hFOB1.19），每孔5 万个细胞，加入200μL 的培养。

基孵育24 小时后，吸出100μL 培养基，每孔加入100μL 制备的骨水泥浸提液，对照组加入100μL 新鲜培养基，分别培养24 小时和48 小时后，吸出培养基，加入20μL MTT 和180μL 新鲜培养基，37˚C 下孵育4 小时后，加入200μL DMSO 孵育10min 后，取出150μL 于96 孔板中，利用紫外分光光度计测定在波长570nm 溶液的吸光度值[8]。

3.结果与讨论

3.1 骨水泥力学性能

图1. 复合骨水泥的压缩强度

图2. 复合骨水泥的弯曲强度

复合骨水泥的压缩强度测量结果见图1。从图1 中可见，在PMMA 中加入HA-n，形成复合骨水泥后，骨水泥的压缩强度明显得到提高。对于未经聚合物修饰的HA-0/PMMA 复合骨水泥，其压缩强度在测试范围内随着HA-0 含量的增加而增加；而经聚合物修饰的HA-1/PMMA 和HA-2/PMMA 其压缩强度先随HA-n 含量的增加而增加，后在15%的浓度下有所下降。由以上结果说明了HA 作为PMMA 基体材料的增强体，有效地提升了PMMA 骨水泥的压缩强度，这是因为HA 本身就具有较好的抗压能力，掺入HA 后，在一定程度上增强了PMMA 骨水泥的压缩强度。在低于10wt%含量时，复合型骨水泥的压缩强度随着表面修饰程度的增加而增加，表明HA 经过聚合物P(MMA-co-MPS)表面修饰后，改善了HA 在PMMA 基体中的分散性，形成更加均一的内部结构，从而增强了HA/PMMA 的压缩强度[9]。而在高于10wt%含量时，复合型骨水泥的压缩强度是随着表面修饰程度升高而降低的，此处可能是由于HA 表面接枝聚合物分子量为与基体聚合物的分子量相比是较小的，随着HA-n 含量的增加，小分子的聚合物所占的比例就越高，使固化后骨水泥的整体分子量下降，从而导致压缩强度的有所降低。

复合骨水泥的弯曲强度测量结果见图2。由图可见，HA-n/PMMA 复合型骨水泥的弯曲强度随着HA 的含量增加而降低。而其中HA-2/PMMA复合骨水泥的弯曲强度在测量范围内均高于国际标准50MPa。而在相同的HA-n 含量下，具有较高修饰程度的HA-2/PMMA 的弯曲强度均比未经修饰的HA-0/PMMA 的有所提升，表明经过较高程度表面修饰后的HA，能有效改善了HA 在基体材料的相容性，加强了HA 和PMMA 基体界面之间的作用力，提升复合骨水泥的弯曲强度[12]。

复合骨水泥的弯曲模量测量结果见图3，从图中可以看到，复合骨水泥的弯曲模量随HA-n含量的改变无较大的变化，其中HA-2/PMMA 复合骨水泥的弯曲模量均高于国际标准的1.8 GPa。

综合压缩强度、弯曲强度、弯曲模量及国 际 标 准ISO 5833 可 知，HA-2 在10wt% 含量时，HA-2/PMMA 复合型骨水泥的力学性能最优。其压缩强度、弯曲强度、弯曲模量可 分 别 达 到76.21±0.73MPa、56.8±1.07MPa、2.02±0.045GPa，均已达到国际标准ISO 5833(压缩强度≥70MPa、弯曲强度≥50MPa、弯曲模量≥1.8GPa)。

3.2 骨水泥细胞毒性实验的结果与讨论

从图4 中可知，人成骨细胞（hFOB1.19）在HA-2/PMMA 复合型骨水泥中的细胞存活率均高于85%，各组之间没有显著的统计学差异。且随HA-2 含量的增加而有增加的趋势，说明HA-n/PMMA 复合骨水泥材料并没有抑制hFOB1.19 的生长。细胞毒性结果说明，HA-n/PMMA 复合骨水泥材料基本无毒性。

图3. 复合骨水泥的弯曲模量

图4 . H-HA/PMMA 复合型骨水泥的细胞存活率

4.结论

将经聚合物P(MMA-co-MPS)修饰的HA 与PMMA 混合成功地制备复合型骨水泥，HA-n/PMMA 复合型骨水泥压缩强度、弯曲模量在一定范围内随着HA 含量的增加而增加，HA 作为骨水泥的增强体，提升了PMMA 骨水泥的压缩强度及弯曲模量。经P(MMA-co-MPS)表面修饰后，HA 在PMMA 基体材料中的分散性和相容性得到有效的提高，使材料的力学性能得到了改善。通过MTT 实验检测了HA-2/PMMA 复合型骨水泥的细胞毒性，表明材料对细胞无毒性。本文中制备的HA/PMMA 复合型骨水泥的力学性能基本已达到国际标准，为今后临床应用奠定了力学研究基础，具有深远而重大的意义。

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