镁基骨粘合剂的体外生物降解性研究*

马安博，马 晶，石 芬

（西安航空职业技术学院，陕西 西安710089）

前 言

镁基骨粘合剂（Magnesium-based Bone Adhesive,MBA）作为一种新型骨胶凝材料受到越来越多的关注，并且作为可持续发展材料被提出并广泛开展研究[1]。镁基骨粘合剂也是目前唯一获得美国食品药品管理局（Food and Drug Administration,FDA）批准的既能作为骨移植替代物，又具有很好粘合性的材料[2]。MBA是当前惟一既具有粘合性又具有成骨活性的骨修复材料，将会给骨外科学、矫形外科学和运动医学的治疗带来前所未有的改变[3]。

作为新型骨修复材料，生物降解性是骨粘合剂的重要特性之一。降解性的好坏也直接影响着MBA材料的应用前景[4]。本文以氧化镁粉末及磷酸二氢钾为固相原料来制备MBA试样，采用模拟体液（Simulate Body Fluid,SBF）浸泡试验来初步评价MBA材料的生物降解性能，为其在生物材料领域的应用提供理论依据与试验支撑。

1 实验材料及方法

1.1 试样制备

实验材料包括医用级氧化镁（MgO，邢台镁瑞环保科技有限公司）的烧结温度为1500℃，保温时间为4h；磷酸二氢钾（KH2PO4,青州市鑫胜化工有限公司）经电热鼓风干燥箱（天津泰斯特）干燥，干燥温度为100℃，时间为6h；固化液为生理盐水。将MgO与KH2PO4按按照一定比例置于球磨罐中混合均匀，备用；量取定量的生理盐水若干，加入预先混合的粉末中，并不断搅拌至固化后放入37℃，100%湿度环境中固化48h，获得MBA试样。

1.2 模拟体液配制

向500mL去离子水中依次加入NaCl→NaHCO3→KCl→K2HPO4·3H2O→Mg Cl2·6H2O→HCl（1mol/L调pH值为6.5～7.0）→CaCl2→Na2SO4→三羟甲基氨基甲烷（调pH值为7.4）然后稀释至1000mL，即可制得SBF；最后加入三羟甲基甲烷调节溶液的pH值为7.4，配制的SBF溶液放入4℃冰箱保存备用[5]。

1.3 试样表征

1.3.1 降解特性

将已称重固化后的MBA试样柱（每组4个）和SBF按0.25g/mL混合，置于小烧杯中，放入37℃、湿度为100的电热恒温水浴锅里浸泡，在特定的时间点，将试样取出，用蒸馏水清洗，于37℃烘干箱中干燥至恒重，记录样品的质量Wt。计算试样失重率（We）、降解速率（Dr）:

We—失重率；Dr—降解速率；W0—原始质量；Wt—浸泡后质量；dt—第t天

1.3.2 显微结构

MBA试样柱经乙醇脱水并室温真空干燥后表面喷金处理[6]，利用JEOL-JSM-6390LV型扫描电镜观察表面形貌。XRD分析采用XBD型X射线仪，Cu靶辐射，在管电压为40kV，电流为40mA，扫描速度为5°/min的条件下对磨细过200目筛的骨水泥粉末进行物相分析。

2 结果与讨论

2.1 试验现象

由图1可以明显看到大量的白色絮状物沉积在瓶底，分布没有规律。

图1 MBA试样在SBF溶液中浸泡Fig.1 The MBA sample soaks in the SBF solution

由图2可以看出，脱落现象存在于试样的表面，并且以片状形式从试样表面脱落，脱落位置为表面的任何位置。脱落片状物形状不定，大小不一。同时也可发现，棱角出现掉落。由浸泡前后对比我们发现，浸泡后的试样强度明显降低，变得酥松。表面酥松程度比心部严重很多。棱角的掉落可能是由于变酥松以后，磕碰掉落。

图2 MBA浸泡后烘干试样Fig.2 The dried MBA sample after the soak

表1为MBA试样在SBF浸泡过程中pH值的变化，从表中可以看出，随着浸泡时间变化，pH值增大。这是由于在浸泡过程中，试样中的剩余氧化镁转变为氢氧化镁，而氢氧化镁微溶于模拟体液中，电离出Mg2+和OH-使得模拟体液pH值上升。

表1 MBA试样在SBF溶液中pH值变化Table 1 The change of the pH value of MBA sample in SBF solution

2.2 降解性分析

图3 MBA试样失重率变化Fig.3 The changes of the weight loss rate of MBA sample

图4 MBA试样降解速率变化Fig.4 The changes of the degradation rate of MBA sample

图3、图4分别为MBA试样在SBF浸泡过程中失重率和降解速率变化。可以看出，MBA在SBF浸泡过程中失重率呈线性关系变化，降解速率近似为一条水平线。二者均可以表明MBA试样在SBF溶液中进行均匀性降解。

2.3 微观结构分析

2.3.1 SEM分析

图5为MBA试样浸泡前后SEM图。可以看出，浸泡后孔隙明显增多，孔径变大，结构变的松散。这是由于MBA试样是以氧化镁为骨架，磷酸镁钾为粘接相形成的多孔生物材料[7～8]，在浸泡过程中，磷酸镁钾溶解，使得孔隙增大、增多，同时由于粘接相的消失，使得结构变得松散。

图5 MBA试样浸泡前（a）、后（b）SEM图Fig.5 The SEM images of MBA samples before（a）and after（b）the soak

2.3.2 XRD分析

图6为MBA试样浸泡前后XRD图谱，可以看出，浸泡9d后，MBA试样XRD图谱基本没有发生变化，衍射峰基本上全部重合，只有衍射峰高度发生变化。这说明浸泡前后MBA相成分没有变化，含量发生改变，其主要成分是氧化镁和六水磷酸镁钾，同时有少量的氢氧化镁存在。图7为MBA试样浸泡27d的XRD图谱，可以看出，浸泡27d后，产生了大量的氢氧化镁，磷酸镁钾消失。氢氧化镁的产生主要是由于在浸泡过程中氧化镁与水的反应而生成。在浸泡过程中磷酸镁钾全部溶解。有研究证明，MBA是以氧化镁为骨架，磷酸镁钾为粘合剂的新型骨粘合材料[9]。由浸泡后样品变得疏松，也可以进一步证明在浸泡过程中六水磷酸镁钾溶解。

图6 MBA试样浸泡前后XRD图谱Fig.6 The XRD pattern of MBA sample before and after the soak

图7 MBA试样浸泡27d XRD图谱Fig.7 The XRD pattern of MBA sample soaks for 27 days

3 结论

通过对MBA试样体外生物降解性研究，试验得出如下结论：（1）浸泡过程中，模拟体液的pH值呈上升趋势，分析认为是由于骨粘合剂中残留的氧化镁溶解所致；（2）MBA试样在SBF溶液中进行均匀性降解；（3）浸泡27d后，MBA骨粘合剂的相成分和微观结构发生很大变化，氧化镁转变为氢氧化镁，六水磷酸镁钾溶解，使得MBA骨粘合剂孔径增大，结构疏松。