螯合型羟基磷灰石骨水泥的制备

祁　燕，汪　涛，杨　心，王阳阳

(南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京　211106)



螯合型羟基磷灰石骨水泥的制备

祁燕，汪涛，杨心，王阳阳

(南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京211106)

以经不同浓度植酸(IP6)溶液表面改性的羟基磷灰石(HA)粉体为固相，蒸馏水为固化液制备了基于螯合作用固化的羟基磷灰石骨水泥，研究了IP6浓度对骨水泥固化产物、抗压强度及微观形貌的影响，并初步分析了IP6与HA的螯合机理。结果表明：IP6浓度不影响骨水泥的固化产物，但对骨水泥的抗压强度和微观形貌有显著影响。当IP6浓度达到5000 ppm以上时，骨水泥抗压强度可保持在30 MPa以上，并且其内部结构更加致密。

螯合；植酸；羟基磷灰石；骨水泥

1　引　言

目前，第一代聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥和第二代磷酸钙骨水泥(CPC)[1]作为骨修复材料已在临床上被大量应用。CPC克服了PMMA骨水泥生物相容性差、固化过程大量放热、单体细胞毒性等问题，但由于CPC依靠酸碱反应进行固化，因此会造成周围体液pH值的改变，从而引起组织免疫反应。另外，CPC的固化产物为HA[Ca5(PO4)3(OH)]，其具有良好的生物相容性与骨传导性[2]，在生物医学领域得到了广泛的应用[3]。但由于HA不具备自固化能力，目前在CPC中还仅作为晶种用来促进固化过程。近几年，利用螯合反应固化的新一代骨水泥备受关注，但其强度较低且具体螯合机理尚未提出[4-6]。

植酸(IP6(分子式C6H18O24P6))是从植物种籽中提取的一种有机酸，其分子中有能同金属配位的12个羟基和6个磷酸基团，这种独特的分子结构使其成为一种少见的金属多齿螯合剂[7]，并且IP6在人体内的水解产物为肌醇和磷脂，均为人体细胞的重要组成部分。

针对单相HA无法自固化及CPC固化时pH值改变等问题，本论文以单相HA为固相制备了基于IP6螯合作用固化的羟基磷灰石骨水泥，探究了IP6浓度对骨水泥固化产物、抗压强度及微观形貌的影响，并初步分析了IP6与HA的螯合机理。

2　实　验

2.1骨水泥的制备

取一定量的IP6(70%，国药集团)并加入适量的蒸馏水，配置浓度分别为0、1000、3000、5000、7000、10000 ppm的IP6溶液各50 mL，同时用0.5 mol/L的NaOH溶液调节其pH值7.3左右。 将10 g HA粉体(99%，西安瑞林有限公司)分别与50 mL不同浓度的IP6溶液置于球磨罐中，在室温下对粉体进行球磨同时表面改性，控制球磨时间为2 h。对球磨后得到的浆体进行抽滤、清洗及冷冻干燥，得到改性后的HA粉体，根据IP6的浓度将粉体分别记为0-IP6-HA、1000-IP6-HA、3000-IP6-HA、5000-IP6-HA、7000-IP6-HA、10000-IP6-HA。将六种粉体与蒸馏水在不同的固液比[P/L=1/(0.2～0.35)(g/mL)]下进行混合，即得到糊状骨水泥。

2.2抗压强度测试

将制备的糊状骨水泥立即填入尺寸为 6 mm×12 mm的模具孔中，一端抹平，1 h后脱模，室温下固化24 h 后得到抗压强度测试试样。按照国际标准ISO5833:2002，利用万能试验机(CMT5105)对试样的抗压强度进行测试，载荷5 kN，加压速度为0.5 mm/min，每组至少测试3个平行试样，取平均值。

2.3样品的表征

用X射线衍射仪(XRD,Bruker D8 advance-X)对骨水泥固化前后的物相组成进行分析；利用X射线光电子能谱分析仪(XPS,PHI Qqantera II)对表面改性前后粉体的表面原子化学态进行分析；通过扫描电子显微镜(SEM,Quanta200)观察骨水泥试样断面的微观形貌。

3　结果与讨论

3.1骨水泥固化前后的XRD分析

图1a为表面改性前后四种HA粉体的XRD图谱，1b为四种不同粉体制备的骨水泥固化产物的XRD图谱。通过与PDF标准卡片对比，所有图谱均与HA(09-0432)的图谱相吻合，在2θ=25.8°、31.8°及32.9°处出现了HA的特征衍射峰，并且无其他相的衍射峰出现，说明制备骨水泥所用的粉体原料及骨水泥固化产物均为单相HA。

图1　(a)表面改性前后HA粉体的XRD图谱;(b)不同粉体制备的骨水泥固化产物的XRD图谱Fig.1　XRD patterns of (a)HA powders before and after surface modification;(b)set cements prepared by different powders

3.2表面改性前后HA粉体的XPS分析

在本研究中对改性前后的HA粉体进行了XPS分析，并分别对其表面的C1s的高分辨率谱线进行了分峰拟合。通过对比发现10000-IP6-HA在285.3 eV处出现了一个新的宽峰，此为IP6中C-O的谱峰，这表明IP6可通过与Ca2+螯合吸附于HA表面，Martin等[7]也曾提出IP6可以与Ca2+发生螯合反应。

图2　表面改性前后HA粉体表面的C1s的XPS高分辨图谱(a)0-IP6-HA;(b)10000-IP6-HAFig.2　High resolution spectra of C1s on the surface of HA powders before and after surface modification(a)0-IP6-HA;(b)10000-IP6-HA

3.3抗压强度测试

图3　IP6浓度对骨水泥抗压强度的影响Fig.3　Effect of IP6 concentrations on compressive strength of cement

利用六种粉体制备的骨水泥试样的抗压强度如图3所示。从图3可以看出，A2、A3组试样的抗压强度与A1组近似，均小于20 MPa，而A4组骨水泥的抗压强度明显提高，在P/L=1/0.25(g/mL)时可达30 MPa。同时如图3所示，只有当IP6增大到5000 ppm及以上时才可在P/L=1/0.2(g/mL)下调和成糊状骨水泥。这是由于当IP6浓度达到5000 ppm时，较多的IP6在HA表面吸附使其表面负电性增大到一定程度，进而产生了明显的减水作用，即在粉体量保持不变的情况下，只需较少的固化液即可制得糊状骨水泥。因此，骨水泥的孔隙率降低，抗压强度提高。此外，表面负电荷间的静电排斥作用也使颗粒排布更加致密，进而降低了孔隙率提高了抗压强度。当IP6浓度进一步增大时，A5、A6组骨水泥的抗压强度均保持在30 MPa以上。

3.4骨水泥断面微观形貌分析

图4　骨水泥试样断面的SEM照片(a)A1;(b)A4;(c)A6Fig.4　SEM images of the specimens fracture surfaces(a)A1;(b)A4;(c)A6

当骨水泥受到载荷时首先在颗粒结合处产生微裂缝，然后微裂缝贯穿孔隙迅速扩展。因此，其抗压强度取决于颗粒间的结合强度和孔隙特征。由此，我们利用SEM对试样断面的微观形貌进行了观察。图4为A1、A4及A6组骨水泥试样(P/L均为1/0.25 (g/mL))断面的微观形貌照片。通过对比可以看出，图4a中试样断面比较粗糙，基体中存在许多分散的颗粒，颗粒之间的连接也比较松散，并且整个断面上分布着许多大小不均的孔隙；而图4b、c中颗粒间连接成片，基体相对比较致密，同时整个断面上只有较少的纳米级孔洞存在，即骨水泥调和时固化液所占的初始空间。因此，试样断面的微观形貌与其抗压强度相吻合。

3.5IP6在HA表面的螯合机理分析

图5　IP6在HA表面的螯合方式Fig.5　Mechanism for the chelating process of the phytic acid on HA surface

根据IP6在金属表面的螯合方式[9]，我们提出IP6在HA表面与Ca2+的螯合方式如图5所示。IP6的分子结构会因溶液的pH值而改变，当pH<9时，IP6中的1个磷酸基团(图5中P2)处于a位，其余5个(P1、P3、P4、P5、P6)处于e位，并且其中4个磷酸基团(P1、P3、P4、P6)处于同一平面上，当处于e位的一个磷酸基团(如P1)与HA表面的Ca2+作用时，处于a位的磷酸基团(P2)可以与其他HA颗粒表面的Ca2+发生螯合反应，因此IP6与Ca2+的螯合反应可将分散的HA颗粒连结成整体，从而使羟基磷灰石骨水泥完成固化过程。

4　结　论

以经不同浓度IP6溶液表面改性的HA粉体为固相，蒸馏水为固化液制备了螯合型羟基磷灰石骨水泥，固化产物均为单相HA。当IP6浓度达到5000 ppm以上时，由于IP6在HA表面吸附产生的减水作用使骨水泥的抗压强度保持在30 MPa以上，并且内部结构比较致密。本研究制备的螯合型羟基磷灰石骨水泥克服了单相HA无法自固化及CPC固化时pH值改变等问题，有望在临床上得到广泛应用。

[1]胡继林,王志强,刘鑫.超细硅酸钙对磷酸钙骨水泥性能的影响[J].硅酸盐通报,2011,30(2):299-293．

[2]Vecchio K S,Zhang X,Massie J B,et al.Conversion of bulk seashells to biocompatible hydroxyapatite for bone implants[J].Acta Biomater,2007,3(6):910-918.

[3]王萍，李国昌.羟基磷灰石微球制备及离子吸附/交换性能研究[J].人工晶体学报,2012,41(3):821-827.

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Fabrication of Chelating Hydroxyapatite Cement

QI Yan,WANG Tao,YANG Xin,WANG Yang-yang

(School of Material Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106,China)

Chelating hydroxyapatite cement was prepared by using hydroxyapatite (HA) powders modified by phytic acid (IP6) with different concentrations and distilled water used as setting liquid. The study investigated the effect of IP6 concentrations on the curing product,compressive strength and micro-morphology of the prepared cement,and analyzed the mechanism for chelating process of IP6 and HA. The results show that the concentration of IP6 has no change on the curing product,but causes a great change on compressive strength and micro-morphology. When the concentration of IP6 increases to 5000 ppm,the compressive strength is above 30 MPa and the cement become more denser.

chelate;phytic acid;hydroxyapatite;bone cement

江苏省科技支撑计划项目(BE2010730);江苏高校优势学科建设工程资助项目

祁燕(1991-)，女，硕士研究生.主要从事生物陶瓷及应用方面的研究.

汪涛,教授.

TB321

A

1001-1625(2016)02-0496-04