孔隙率对多孔β-磷酸三钙陶瓷结构和释药速率的影响

韩辰　谢幼专　张军　卢建熙

200011，　　上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科、上海市骨科内植物重点实验室(韩辰、谢幼专、张军)；200335，　　上海贝奥路生物材料有限公司(卢建熙)



孔隙率对多孔β-磷酸三钙陶瓷结构和释药速率的影响

韩辰谢幼专张军卢建熙

200011，上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科、上海市骨科内植物重点实验室(韩辰、谢幼专、张军)；200335，上海贝奥路生物材料有限公司(卢建熙)

【摘要】目的研究孔隙率对β-磷酸三钙(β-TCP)陶瓷结构和释药速率的影响。方法在β-TCP粉末浆液中加入不同重量比的造孔剂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)烧制圆片状致密β-TCP陶瓷，分别测定其孔隙率、压缩强度。在β-TCP粉末浆液中加入不同重量比的PMMA烧制圆柱状载体β-TCP陶瓷并在其载药腔中放置利福平粉末，于磷酸盐缓冲液(PBS)中行4周释放实验。 结果β-TCP陶瓷的孔隙率与PMMA含量呈线性相关，压缩强度随孔隙率增大而下降(P>0.05)，圆柱状β-TCP载体的日均释药量随孔隙率增加而增大，且每日释放量稳定，无显著性波动。结论孔隙率可显著改变β-TCP结构，并影响释药速率，有望用于控制载药β-TCP陶瓷载体的缓释过程。

【关键词】β-磷酸三钙；药物缓释系统；孔隙率

骨组织感染是临床骨科的难题，全身用药往往在病变部位难以达到有效浓度，且骨组织感染常伴随骨组织缺损，因此选择合适的骨组织支架结合抗生素形成药物缓释系统是学者们研究的热点[1-3]。β-磷酸三钙(β-TCP)是常见的骨修复材料，具有良好的生物相容性与骨传导性[4-7]，将抗生素负载于β-TCP可达到局部持续释放药物、降低全身毒性与填充骨缺损的效果，如何控制药物缓释速率是目前载药生物陶瓷支架研究的热点。本研究在β-TCP陶瓷的制造过程中加入不同比重的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为造孔剂，观察其对β-TCP陶瓷结构和释药速率的影响。

1 材料与方法

1.1圆片状β-TCP制备

将130 g 100%纯度的β-TCP粉末混合58 g去离子水与3 g粘合剂，搅拌2 h后注入球磨桶内，放入球磨机上滚浆数小时。将所得的β-TCP浆液等量分成8份，分别加入0 wt%、5 wt%、10 wt%、15 wt%、20 wt%、25 wt%、30 wt%、35 wt%的PMMA粉末，充分混匀后在磨具中加压获得圆片状陶瓷胚体。室温干燥2 h后，50℃烘箱干燥12 h。260℃汽化排胶后1 100°烧制成型。成品高3 mm、直径11.8 mm，灭菌备用。

1.2载药β-TCP制备

将1 300 g β-TCP粉末所制的浆液在磨具中加压成型获得中空圆柱状陶瓷胚体[8-10]。另将含0 wt%、10 wt%、20 wt%、30 wt% PMMA粉末浆液灌浆于中空陶瓷胚体内壁(厚0.5 mm)。室温干燥2 h后，50℃烘箱干燥12 h。260℃汽化排胶后1 100°烧制成型。成品高30 mm、外径14 mm，内含高为25 mm、内径147 mm的中空载药腔，灭菌备用。

1.3β-TCP检测

圆片状β-TCP用纱布包裹在水中煮沸去除气泡，冷却后称量其在水中悬重及空气中湿重，放入80℃烘箱干燥1 d，测量干重，按阿基米德法计算其孔隙率，每种样品测试4个。压汞法检测圆柱状β-TCP孔隙率。

使用万能材料压缩机(Instron-8874)测定圆片状β-TCP的压缩强度，压缩速率为2 mm/min。每种样品测试4个。

圆片状β-TCP陶瓷经离子溅射仪喷金后，用扫描电镜(SHitachi S-4800)观察表面及截面，采用图像分析软件测定孔径。

1.4β-TCP体外释药

在4组圆柱状β-TCP载体载药腔中加入0.2 g利福平粉末(美国Sigma-Aldrich公司)，硅胶塞封口，悬吊在250 mL蓝口瓶中，内含100 mL PH 7.4的磷酸盐缓冲液(PBS)，液面距β-TCP陶瓷载体顶端5 mm。置于37℃恒温箱内，每日完全更换等量新鲜PBS溶液，使用Synergy HT酶标仪(美国Bio-Tek公司)在波长474 nm处测定洗脱液吸光度值，观察4周。根据利福平溶液标准曲线计算溶液中利福平浓度。

1.5统计学分析

2 结果

圆柱状β-TCP的孔隙率为75%±10%。圆片状β-TCP孔隙率与造孔剂PMMA含量的关系如图1a所示，两者之间线性回归方程为：y=0.2284x-0.2025，相关系数R2=0.978，两者基本呈线性关系。圆片状β-TCP的压缩强度如图1b所示，各组间无统计学意义，但随着造孔剂含量的增加，β-TCP压缩强度不断降低。圆柱状β-TCP载体每日释药量见图2a，日均释药量随造孔剂含量的增加(即孔隙率增加)而上升，各组间差异均有统计学意义。4组圆柱状β-TCP 4周累计释药量分别为13.32、15.62、17.64、19.60 mg，累计释药率分别为6.66%、7.81%、8.82%、9.80%(图2b)，可见各组释药过程平稳，释药速率并未随时间变化而改变，未见突释现象。

图1圆片状β-TCP PMMP含量与孔隙率(a)及压缩强度(b)的关系

图2圆柱状β-TCP PMMP含量与每日释药量的关系(a)及其累计释药量曲线(b)

**表示P<0.01，*表示P<0.05

扫描电镜下圆片状β-TCP形貌如图3所示。未加入造孔剂时，材料截面有散在的微小孔隙，未见明显孔结构(图3a)，而加入造孔剂后材料截面可见均匀的孔结构，其内壁有连接孔结构(图3b～3d)，3组孔径大小分别为(39.95±5.31)μm、(40.74±5.09)μm和(46.2±8.83)μm，组间无统计学差异，且单位面积内孔数量随着造孔剂含量的增加而明显增多。

图3扫描电镜下圆片状β-TCP截面a. 不加造孔剂的圆片状β-TCP截面b. 造孔剂含量为10wt%的圆片状β-TCP截面c. 造孔剂含量为20wt%的圆片状β-TCP截面 d. 造孔剂含量为30wt%的圆片状β-TCP截面

3 讨论

钙磷陶瓷因与骨组织有相似的钙磷比而被广泛应用于骨修复领域，其中以β-TCP最为常用，β-TCP具有良好的生物相容性和生物降解性，常用于药物缓释载体的研究。载药β-TCP陶瓷植入体内后，体液通过微孔渗入载体，溶解药物，并通过微孔渗出，从而达到缓释目的[11-12]。因此，孔结构是控制β-TCP载体药物释放速度的关键，但目前国内外对此研究较少，且结论不一[13-14]，本研究通过改变内层β-TCP的孔结构来研究其对缓释过程的影响。

β-TCP的力学性能主要通过压缩强度来表征。本实验表明，随着造孔剂含量的不断增加，β-TCP脆性增加，强度降低，尽管差异无统计学意义，但其变化趋势可见。扫描电镜下圆柱状β-TCP截面图像也证实造孔剂的作用，造孔剂改变了β-TCP原本的形貌，继而出现了均匀分布的孔结构。随着造孔剂含量的增加，孔径没有显著变化，而孔的分布更密集，孔内连接增多，孔内连接率增高对药物的释放也有着促进作用。

溶液吸附法简便易行，不破坏药物结构，是负载药物的常用方法，包括真空溶液吸附法、动态溶液吸附法和静态溶液吸附法。但这些方法存在载药量偏低且不可控等缺点，尤其是在样品制备中药液通过毛细管作用经内连接孔渗透至缓释载体深部的孔结构，载体冷凝后药液干燥并留在孔内及缓释载体表面。在释药过程中，这种缓释系统中与孔隙表面相连的药物分子遵循Fickian扩散机制，很容易快速释放，从而造成突释现象。本研究采用直接装填法，将药物直接装载在载体中心储药腔中，载药量大且可控，载体表面及内部孔与连接孔中无药物分布，藉此来避免突释现象。本研究显示，各组释放过程均较为平稳，未出现突释现象。β-TCP结构稳定不仅有助于维持孔结构而保证缓释速率的稳定，而且有助于维持载体强度。

各组日均释药量均随造孔剂的增加而上升，表明内层孔结构可以调控β-TCP陶瓷载体释药速率。每组日均释放量均在药物有效浓度之内(0.005～0.5μg/mL)[15]，且释药量最多的一组4周也仅仅释放了10%的药物，符合临床上局部病灶长期应用抗生素治疗感染的要求。降解过程中新骨逐渐形成[16-19]，为药物缓释治疗骨组织感染伴骨缺损提供了实验基础，但仍需进一步进行动物体内研究以明确β-TCP微结构对体内释药速率的影响及其生物学效应。

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(收稿：2015-12-03; 修回：2016-02-01)

(本文编辑：卢千语)

The impact of porosity on the structure and drug releasing rate of porous β-tricalcium phosphate ceramics bioceramicsHANChen1,2,XIEYou-zhuan1,2,ZHANGJun1,2,LUJian-xi3.DepartmentofOrthopaedic,ShanghaiNinthPeople’sHospital,ShanghaiJiaotongUniversitySchoolofMedicine1,Shanghai200011,China;ShanghaiKeyLaboratoryofOrthopaedicImplants2,Shanghai200011,China;ShanghaiBio-luBiomaterialsCompanyLimited3,Shanghai200335,China

【Abstract】ObjectiveTo investigate the influence of porosity on the structure and drug release rate of β-tricalcium phosphate ceramics (β-TCP). Methods The β-TCP disks were produced by adding different weight ratio of pore-forming agents during the fabrication of β-TCP disks. The porosity, mechanical properties and scanning electronic microscopic images of the discs were studied. The porous β-TCP drug delivery system was produced. The releasing process was studied in the phosphate buffer saline (PBS) for four weeks. Results There was a linear correlation between the porosity and the polymethylmethacrylate (PMMA) content. With the increase of porosity, the compressive strength declined (P>0.05), and the release rates increased. The daily release rates were stable without the obvious undulation.Conclusion The porosity could significantly change the structure of β-TCP and regulate the drug release rate, which may help to control the release procedure of porous β-TCP drug delivery system.

【Key words】β-tricalcium phosphate； Drug delivery system； Porosity

Corresponding author:XIE You-zhuanE-mail: phoque711@163.com

DOI：10.3969/j.issn.1673-7083.2016.02.014

通信作者：谢幼专E-mail: phoque711@163.com

基金项目：国家自然科学基金(81071453)、上海市科委基金(1441901700)