Ca／Mg／PO4骨修复材料的制备及降解性能的研究

（华中科技大学材料科学与工程学院材料成型与模具技术国家重点实验室，湖北武汉430074）

β－Ca3（PO4）2（β－TCP）作为骨修复材料具有良好的生物相容性［1］、生物降解性［2］和诱导成骨性［3－4］，是目前最具前景的陶瓷生物材料之一。近年来，许多学者通过将微量的Mg2＋、Si4＋、Zn2＋、F－、Cl－、CO2－3等与β－TCP掺杂，使其微观结构更接近自然骨，且具备不同的形貌［5］，以此来调控其生物性能。目前，Mg的掺杂大多数是将MgO 通过浇铸［6］、共混煅烧等方法与β－TCP 掺杂，作者在此则采用共沉淀法［7］，以MgCl2为镁源、CaCl2为钙源、（NH4）2HPO4为磷源，将MgCl2、CaCl2的混合液滴入（NH4）2HPO4水溶液中制备不同Mg含量的Ca／Mg／PO4骨修复材料，通过研究其在模拟体液中浸泡一段时间后的物相、表面形貌、质量等的变化，较为系统地研究了Mg含量对Ca／Mg／PO4骨修复材料生物降解性能的影响。

1 实验

1.1 试剂与仪器

无水氯化钙、六水氯化镁、磷酸氢二铵、浓氨水等均为分析纯；模拟体液（SBF），自制。

精密pH 计，分析天平，恒温振荡器，干压机，烧结炉，X－射线衍射仪，Quanta 200型扫描电子显微镜。

1.2 Ca／Mg／PO4 骨修复材料的制备

表1 原材料及用量／g（mol）Tab.1 Raw materials and their qualities／g（mol）

按表1精确称取各原材料，先将CaCl2和MgCl2·6H2O 溶于200mL去离子水，用浓氨水调节其初始pH 值为9.5，同时将磷酸氢二铵溶于200mL 去离子水；再将CaCl2和MgCl2·6H2O 的混合液移入500 mL分液漏斗中，以2mL·min－1的速度缓慢滴入磷酸氢二铵水溶液中（滴加过程中，不断滴加浓氨水，保持pH 值为9.5）。滴加完后加入微量聚丙烯酸陈化24h；洗涤，抽滤，80 ℃干燥，得到不同Mg 含量的Ca／Mg／PO4骨修复材料，即产物A、B、C、D。

将产物A、B、C、D 于800 ℃煅烧后，分别称取1.000g各5份，用干压机压制成直径为20mm 的薄片，于烧结炉中800 ℃保温3h，备用。

1.3 Ca／Mg／PO4 骨修复材料的降解性能

通过体外模拟实验研究产物A、B、C、D 的降解性能：将产物A、B、C、D 分别浸入装有40mL 模拟体液的锥形瓶中，37 ℃、70r·min－1振荡。每隔3d更换模拟体液，并测定其pH 值。每隔一定时间取出产物，洗净，烘干，称重，测定模拟体液中Ca2＋浓度、产物的质量，并进行SEM 和XRD 测试，分析产物降解前后的物相及表面形貌的变化，考察Mg含量对产物降解性能的影响。

1.4 分析测试

1.4.1 X－射线衍射（XRD）分析

用X－射线衍射仪研究Mg含量对煅烧后产物物相的影响。采用经镍箔过滤的Cuκα辐射，管电压为40kV，管电流为40mA，扫描速率为4°·min－1，步长为0.02°，扫描范围为10°～60°。

1.4.2 模拟体液pH 变化值的测定

为了解产物A、B、C、D 在降解过程中环境的变化，采用精密pH 计测定模拟体液的pH 值：将一定量产物各5份浸泡在模拟体液中，于37 ℃、70r·min－1振荡。每隔一定时间取出样品，测定pH 值，取3组比较接近的pH 值的平均值，记为pH1。将未浸泡产物的模拟体液于相同条件下放置3d，测定pH 值，记为pH2。按式（1）计算模拟体液pH 变化值（ΔpH）：

1.4.3 模拟体液中Ca2＋浓度的测定

参照国标GB7476－87 测定模拟体液中Ca2＋浓度：取5mL浸泡产物后的模拟体液稀释至50mL，取10mL稀释液加0.2mL 4mol·L－1的NaOH 溶液和0.1g钙羧酸指示剂，用2mmol·L－1的EDTA 二钠标定，当模拟体液颜色从紫红色变为亮蓝色即为终点。按式（2）计算Ca2＋浓度：

式中：c为Ca2＋浓度，mmol·L－1；ce为EDTA 二钠的浓度，mmol·L－1；Ve为EDTA 二钠的体积，mL；V为Ca2＋的体积，mL。

1.4.4 扫描电镜（SEM）分析

为考察降解前后Mg含量对产物形貌的影响，对产物表面进行扫描电镜测试。电子加速电压为5kV。测试前对产物进行表面喷金处理。

2 结果与讨论

2.1 XRD 分析

图1为4种产物在800℃下烧结后的XRD 图谱。

图1 4种产物在800 ℃下烧结后的XRD图谱Fig.1 XRD Patterns of four kinds of products sintering at 800 ℃

由图1 可知，4 种产物的主要物相均为β－Ca3（PO4）2，且随着 Mg 含量的增加，第二相Ca4Mg5（PO4）6的特征峰不断增强。

2.2 模拟体液pH 值的变化

将4种产物浸泡在模拟体液中，模拟体液pH 变化值随浸泡时间的变化曲线如图2所示。

图2 模拟体液pH 变化值随浸泡时间的变化Fig.2 Changes ofΔpH of SBF with immersion time

由图2可看出：Mg含量越少，模拟体液的pH 值变化越大；浸泡第1～6d，pH 值的变化较小；第7～12d，模拟体液中产生大量的酸性物质，pH 值快速减小；第12d开始，pH 值均有增大的趋势；21d后趋于稳定，且pH 值的稳定值随Mg 含量的增加而增大。这是因为，产物浸泡在模拟体液中发生了如下反应：

Ca／Mg／PO4骨修复材料在模拟体液中快速溶出Ca2＋、Mg2＋和，因羟基磷灰石（HA）的溶解度低于β－TCP，当溶液中的HA 达到临界溶解度时，Ca2＋和与OH－等阴离子结合，在Ca／Mg／PO4骨修复材料表面析出HA［8］，带走了模拟体液中的部分OH－，使得H＋浓度升高，溶液pH 值减小。析出的HA 附着在Ca／Mg／PO4骨修复材料表面，会阻碍Ca／Mg／PO4骨修复材料的继续降解，因此浸泡21d后，Ca／Mg／PO4骨修复材料降解速度减慢，每次更换模拟体液后，其pH 值略微增大并逐渐趋于稳定。

为了进一步验证这一结果，研究了Ca／Mg／PO4骨修复材料浸泡不同时间后，模拟体液中Ca2＋浓度的变化以及Ca／Mg／PO4骨修复材料浸泡后的物相及表面形貌的变化。

2.3 模拟体液中Ca2＋浓度的变化（图3）

图3 模拟体液中Ca2＋浓度随浸泡时间的变化Fig.3 Changes of Ca2＋concentration of SBF with immersion time

由图3可看出，产物A 浸泡在模拟体液中后，模拟体液中Ca2＋浓度缓慢下降；产物B、C、D 浸泡在模拟体液中后，第1～3d，模拟体液中Ca2＋浓度迅速下降，第6d后，Ca2＋浓度趋于稳定，且随着Mg含量的增加，Ca2＋浓度不断降低。这一结果再次证实了模拟体液pH 值的减小是由于生成了 HA，因为Ca／Mg／PO4骨修复材料的Ca／P 接近1.5，而HA 的Ca／P大于1.5，多出的Ca2＋必然来源于模拟体液中，因此模拟体液的Ca2＋浓度会减小，HA 生成量相应减少，模拟体液中的H＋浓度相应降低，pH 值减小。

由于Mg含量越多，模拟体液的碱性越强，pH 值越大，而β－TCP 的溶解度与pH 值有着密切的关系，pH 值增大，β－TCP的溶解度则降低，因此，Mg含量的增加会降低β－TCP的溶解度［9］，材料较难溶出Ca2＋，模拟体液中的Ca2＋浓度会迅速减小。另一方面，由于Mg含量多的Ca／Mg／PO4骨修复材料晶粒结合紧密，晶粒尺寸较大，也会导致材料较难溶出Ca2＋，模拟体液中的Ca2＋浓度减小。

2.4 Ca／Mg／PO4 骨修复材料浸泡前后质量的变化

表2为4种产物在模拟体液中浸泡第7～28d的质量变化。

由表2可知：浸泡第7d，4种产物的质量几乎没有变化；浸泡第28d，产物A、B、C质量明显减小，但质量变化比较接近，可能是因为产物A、B、C表面形貌相似，颗粒尺寸较小，且分散均匀，较易溶出Ca2＋、；浸泡第28d，产物D 质量变化不大，可能是因为产物D 晶粒较大，结构密实，降解较慢。

表 2 4种产物在模拟体液中浸泡第7～28d的质量变化／%Tab. 2 Quality changes of four kinds of products immersing 7～28din SBF／%

2.5 SEM 分析

图4为4种产物浸泡前及在模拟体液中浸泡第7d、第28d的SEM 照片。

由图4可以看出：（1）不含Mg的产物A 在浸泡前颗粒细小，分布均匀，浸泡第7d表面颗粒开始变得疏松，晶粒与晶粒之间距离变大；随着Mg含量的增加，产物B、C、D 的晶粒尺寸逐渐增大，Mg含量最高的产物D 发生明显烧结现象。（2）浸泡第7d，4种产物表面局部出现约0.3μm 的均匀球形颗粒，其尺寸远小于基体材料，其中产物D 表面的颗粒最明显。（3）浸泡第28d，4种产物表面发生了明显变化，产物B、C表面局部出现多个直径约5μm 的孔洞。

对产物D 的表面粉末进行XRD 分析，结果见图5。

由图5可以看出：浸泡第14d，产物D 的第二相Ca4Mg5（PO4）6几乎消失，主要为β－TCP 相；浸泡第28d，产物D 表面出现HA 相，证明Ca／Mg／PO4骨修复材料浸泡后析出的小颗粒确实是文献［8］所说的HA。这表明，Ca／Mg／PO4骨修复材料在浸泡第28d发生明显降解，且降解后有HA 析出。

3 结论

采用共沉淀法制备了具有不同 Mg 含量的Ca／Mg／PO4骨修复材料，该材料主要成分为β－Ca3（PO4）2（β－TCP），Mg 以第二相Ca4Mg5（PO4）6的形式存在于其中。将Ca／Mg／PO4骨修复材料浸入模拟体液中，随着浸泡时间的延长，模拟体液的pH值、Ca2＋浓度先快速下降后逐渐趋于稳定，Ca／Mg／PO4骨修复材料质量不断减小；随着Mg含量的增加，模拟体液的pH 值不断增大，Ca2＋浓度和Ca／Mg／PO4骨修复材料质量不断减小；浸泡28d后，Ca／Mg／PO4骨修复材料表面析出类似于羟基磷灰石的物质。Ca／Mg／PO4骨修复材料的降解过程是离子溶出和HA 析出的双重过程。

图4 4种产物浸泡前后的SEM 照片Fig.4 SEM Images of four kinds of products before and after immersion

图5 产物D浸泡前后的XRD图谱Fig.5 XRD Patterns of product D before and after immersion

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